Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Dr.-Ing. Dieter Reisinger, MSc

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Dr.-Ing. Dieter Reisinger, MSc"—  Präsentation transkript:

1 Dr.-Ing. Dieter Reisinger, MSc
Institut für Flugsicherheit Austrian Flight Test Association Manoeuver Enveloppe und Böenlastvielfache Dr.-Ing. Dieter Reisinger, MSc OUV Wintertagung Darmstadt, 14. März 2009 © Dr. Dieter Reisinger Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

2 Verständnis für v-n-Diagramm und Böen-Enveloppe schaffen
Einleitung Ziel: Verständnis für v-n-Diagramm und Böen-Enveloppe schaffen Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

3 - maneuver envelope (v-n-diagram) and - gust envelope (v-g-diagram).
Introduction Aircraft has to meet strength requirements of CS at each combination of airspeed and load factor and within the boundaries of two envelopes: - maneuver envelope (v-n-diagram) and - gust envelope (v-g-diagram). When handling inside the maneuver envelope the pilot avoids overstressing the aircraft. When inside the gust envelope the aircraft is protected from overstress due to severe gust. Achtung: Bauvorschriften beruhen auf Erfahrungen der letzten Jahrzehnte! Sie schützen nicht bei unüblichen Konfigurationen und/oder anderen Umgebungsbedingungen! Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

4 Grundlagen Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

5 (Design Airspeeds = Bemessungsgeschwindigkeiten)
Manoeuver Envelope CS Design airspeeds “Except as provided in sub-paragraph (a) (4) , the selected design airspeeds are equivalent airspeeds (EAS).” Weshalb EAS? Flug mit konstanter EAS garantiert konstanten Staudruck (nicht Differenz-druck Dp!) in jeder Flughöhe! (Design Airspeeds = Bemessungsgeschwindigkeiten) Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

6 S .....Flügelreferenzfläche
Equivalent Airspeed Equivalent Airspeed Luftkräfte in Beiwertschreibweise, z.B. der Auftrieb, können bekanntlich wie folgt angeschrieben werden. A......Auftrieb r......Dichte in Flughöhe cA ... Auftriebsbeiwert v True Airspeed S .....Flügelreferenzfläche Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

7 VEAS2 Equivalent Airspeed Equivalent Airspeed ....
Durch eine Erweiterung mit r/r0 erhält man eine äquivalente Form. Der Vorteil der EAS liegt darin, dass mit einer konstanten Dichte (nämlich der Dichte in MSL, r0) multipliziert werden darf, unabhängig von der Flughöhe, um auf die Luftkräfte zu schließen. VEAS2 Aus der angezeigten Geschwindigkeit erhält man EAS durch Siehe dazu Literatur, z.B. Verlag Dieter Thomas Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

8 Equivalent Airspeed Dr. Reisinger Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

9 Erstellen des Manoeuver Envelopes
- Positive und negative Grenzen - Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

10 n1 n2 Manoeuver Envelope Bruchlast (Ultimate Load)
Sichere Last (Limit Load) n2 Sichere Last (Limit Load) Bruchlast (Ultimate Load) Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

11 CS 23.337 Limit manoeuvring load factors
Manoeuver Envelope CS Limit manoeuvring load factors Gibt sichere Lastvielfache als Funktion des Gewichts für die verschiedenen Kategorien vor. Zahlenwerte: Positive Load Limits: lb 3,8 5000 lbf 3,7 lbf 3,3 lbf 3,17 Normal Category Commuter Category: Jedoch nicht mehr als 3,8 Positives Load Limit für Utility Category: nz+ = 4,4 Positives Load Limit für Aerobatic Category: nz+ = 6,0 Negatives Load Limit für Normal, Utility and Commuter: nz- = 0,4·nz+ Negatives Load Limit für Aerobatic Category: nz- = 0,5 ·nz+ Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

12 Manoeuver Envelope Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

13 CS 23.303 Factor of safety Manoeuver Envelope
Unless otherwise provided, a factor of safety of 1,5 must be used. CS Strength and deformation (a) The structure must be able to support limit loads without detrimental, permanent deformation. At any load up to limit loads, the deformation may not interfere with safe operation. (b) The structure must be able to support ultimate loads without failure for at least three seconds, except local failures or structural instabilities between limit and ultimate load are acceptable only if the structure can sustain the required ultimate load for at least three seconds. However, when proof of strength is shown by dynamic tests simulating actual load conditions, the three second limit does not apply. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

14 Erstellen des Manoeuver Envelopes
Design Airspeeds Simplified iaw Appendix A, A23.1 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

15 Appendix A23.1 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

16 (1) Single engine excluding turbine powerplants;
Appendix A23.1 (1) Single engine excluding turbine powerplants; (2) Main wing located closer to the aeroplane’s centre of gravity than to the aft, fuselage-mounted, empennage; (3) Main wing that contains a quarterchord sweep angle of not more than 15 degrees fore or aft; (4) Main wing that is equipped with trailing-edge controls (ailerons or flaps, or both); (5) Main wing aspect ratio not greater than 7; (6) Horizontal tail aspect ratio not greater than 4; (7) Horizontal tail volume coefficient not less than 0,34; (8) Vertical tail aspect ratio not greater than 2; (9) Vertical tail platform area not greater than 10 percent of the wing platform area; and (10) Symmetrical airfoils, both horizontal and vertical tail designs. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

17 Appendix A23.1 (b) Appendix A criteria may not be used on any aeroplane configuration that contains any of the following design features: (1) Canard, tandem-wing, closecoupled, or tailless arrangements of the lifting surfaces; (2) Biplane or multiplane wing arrangements; (3) T-tail, V-tail, or cruciform-tail (+) arrangements; (4) Highly-swept wing platform (more than 15-degrees of sweep at the quarter-chord), delta planforms, or slatted lifting surfaces; or (5) Winglets or other wing tip devices, or outboard fins. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

18 (2) Minimum design airspeeds.
Appendix A23.1 A23.7 (e) (2) Minimum design airspeeds. The minimum design airspeed may be chosen by the applicant May not be less than the minimum speeds found by using figure 3 of this Appendix. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

19 Appendix A23.1 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

20 Stall Speed vS Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

21 Gefordert ist Verlauf für „clean“ und „dirty“ Konfiguration
Manoeuver Envelope Gefordert ist Verlauf für „clean“ und „dirty“ Konfiguration (i) vS is a computed stalling speed with flaps retracted at the design weight, normally based on the maximum aeroplane normal force coefficients, cNA; F Stallspeed hängt vom Lastvielfachen ab Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

22 CS Design Airspeeds Bei kleinen Anstellwinkel ist der Unterschied zwischen Normalkraft und Auftrieb vernachlässigbar W R N A Für kleine Winkel gilt T a Damit ... Druckpunkt Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

23 Manoeuver Envelope Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

24 Manoeuver Envelope Flaps Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

25 Design Manoeuvring Speed vA
Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

26 For vA, the following applies:
CS Design Airspeeds For vA, the following applies: (1) vA may not be less than vS ·√n where (i) vS is a computed stalling speed with flaps retracted at the design weight, normally based on the maximum aeroplane normal force coefficients, cNA; and (ii) n is the limit manoeuvring load factor used in design. (2) The value of vA need not exceed the value of vC used in design. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

27 Simplified Criteria iaw Appendix A:
CS Design Airspeeds Simplified Criteria iaw Appendix A: Minimum Design Manoevring Speed: [kt] n1 = aeroplane positive manoeuvring limit load factor. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

28 vA Manoeuver Envelope Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

29 nz 1 vA -1 Manoeuver Envelope
Je geringer das Gewicht (die Flächenbelastung), desto geringer die Stallspeed und desto geringer vA Abnehmendes Gewicht nz 1 vA EAS -1 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

30 Design Speed for maximum Gust intensity vB
Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

31 For vB, the following applies:
Manoeuver Envelope For vB, the following applies: (1) vB may not be less than the speed determined by the intersection of the line representing the maximum positive lift cN MAX and the line representing the rough air gust velocity on the gust V-n diagram, or whichever is less, where – (i) ng the positive aeroplane gust load factor due to gust, at speed vC (in accordance with CS ), and at the particular weight under consideration; and (ii) vS1 is the stalling speed with the flaps retracted at the particular weight under consideration. (2) vB need not be greater than vC. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

32 Zusatzlastvielfaches durch Böe
Manoeuver Envelope Böenlastvielfaches ng – siehe später Böengeschwindigkeit 66 fps nz Zusatzlastvielfaches durch Böe 1 vB EAS -1 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

33 Design Cruising Speed vC
Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

34 vA vC Manoeuver Envelope vC kann gewählt werden,
Jedoch Mindest- und Höchstwerte vorgegeben Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

35 Design Cruising Speed vc
CS Design Airspeeds Design Cruising Speed vc 1) vC (in knots) may not be less than (for normal, utility and commuter category aeroplanes); and (ii) (for aerobatic category aeroplanes). where W/S = wing loading at design maximum take-off weight in lb/ft2. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

36 Design Cruising Speed vc
CS Design Airspeeds Design Cruising Speed vc (2) For values of W/S more than 20, the multiplying factors may be decreased linearly with W/S to a value of 28,6 where W/S = 100. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

37 CS 23.335 Design Airspeeds normal ,utility and commuter category
Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

38 Simplified Criteria iaw Appendix A:
CS Design Airspeeds Simplified Criteria iaw Appendix A: Minimum Design Cruising Speed: [kt] n1 = aeroplane positive manoeuvring limit load factor. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

39 (2) Minimum design airspeeds.
Appendix A23.1 A23.7 (2) Minimum design airspeeds. The minimum design airspeed may be chosen by the applicant May not be less than the minimum speeds found by using figure 3 of this Appendix. In addition, vC min need not exceed values of 0,9 vH actually obtained at sea-level for the lowest design weight category for which certification is desired. In computing these minimum design airspeeds, n1 may not beless than 3,8. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

40 Design Cruising Speed vc
CS Design Airspeeds Design Cruising Speed vc (3) vC need not be more than 0,9·vH at sea level. Vc < 0.9·vH vH at MSL Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

41 Design Dive Speed vD Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

42 vA vC vD Manoeuver Envelope Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

43 For vD the following apply:
CS Design Airspeeds Design dive speed vD For vD the following apply: (1) vD may not be less than 1,25 vC Anmerkung: Wenn vCmin gewählt wurde, dann gilt ein anderer Zahlenwert – ein höherer! Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

44 CS Design Airspeeds Design dive speed vD (2) With vC min, the required minimum design cruising speed, vD may not be less than – (i) 1,40 vC min for normal and commuter category aeroplanes; (ii) 1,50 vC min for utility and (iii) 1,55 vC min for aerobatic category aeroplanes (3) For values of W/S more than 20, the multiplying factors in sub-paragraph (2) may be decreased linearly with W/S to a value of 1,35 where W/S = 100. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

45 Simplified Criteria iaw Appendix A:
CS Design Airspeeds Simplified Criteria iaw Appendix A: Minimum Design Dive Speed: [kt] n1 = aeroplane positive manoeuvring limit load factor. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

46 CS 23.335 Design Airspeeds aerobatic utility normal Dr. Reisinger
OUV Wintertagung 2009

47 nz 1 vA vC vD -1 Manoeuver Envelope
6. Schritt – Enveloppe vervollständigen Normal Category: bei vD reicht nz = 0 aus nz 1 vA vC vD EAS -1 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

48 nz 1 vA vC vD -1 Manoeuver Envelope
6. Schritt – Enveloppe vervollständigen Aerobatic Category: muß bei vD noch nz =-1 ertragen nz 1 vA vC vD EAS -1 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

49 Böenlastvielfache Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

50 Vertikalböe mit Böengeschwindigkeit U
Einführung Zum leichteren Verständnis wird zunächst von einer plötzlich auftretenden Vertikalböe ausgegangen (“sharp gust”). Beispiele dafür: Wirbelschleppen, Rotorwellen. Zu einem späteren Zeitpunkt werden andere Böenverteilungen behandelt. Vertikalböe mit Böengeschwindigkeit U v Die “sharp edged gust” wurde erstmals 1934 in den “Airworthiness Requirements for Aircraft” (Bureau of Air Commerce) in den USA eingeführt. Die Böengeschwindigkeit wurde damals mit 30 fps angesetzt. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

51 Zusatzlastvielfaches Dnz =
Vertikalböe Definition: Lastvielfaches = Das Verhältnis einer festgelegten Last zur Gesamtmasse (Gewicht!) des Luftfahrzeuges. Festgelegte Lasten können Luftkräfte, Trägheitskräfte oder Boden- oder Wasser-Reaktionskräfte sein. Auftrieb Lastvielfaches nz = Gewicht und DAuftrieb Zusatzlastvielfaches Dnz = Gewicht Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

52 mit DcA Vertikalböe cA a1 a2 a Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

53 DcA Da mit DcA = Da dcA da Vertikalböe cA a a1 a2
Gängige Schreibweise in der Literatur: mit DcA = Da dcA da Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

54 und Böengeschwindigkeit Da = arctan Fluggeschwindigkeit Da Vertikalböe
Airspeed Gust Velocity Da Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

55 Vertikalböe Da Da üblicherweise sehr klein ist, gilt in guter Näherung: v Da U Und damit wird das Zusatzlastvielfache Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

56 Große Böengeschwindigkeit
Vertikalböe Ergebnis Auftriebsanstieg: aeroelastische Verformung? Torsion des Flügels unter Belastung? Erhöht Dnz Tiefflug Große Böengeschwindigkeit Hohe Geschwindigkeit Großer Auftriebsanstieg, d.h. hohe Streckung Mindert Dnz Hohe Flächenbelastung, schweres Flugzeug Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

57 Im Wesentlich abhängig von Streckung (L steigt → cAa steigt)
Vertikalböe Auftriebsanstieg cAa Im Wesentlich abhängig von Streckung (L steigt → cAa steigt) Kompressibilität Pfeilung Zahlreiche Näherungsformeln (siehe Literatur, z.B. Formel nach Polhamus) Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

58 Vertikalböe Die plötzlich auftretende, sprunghafte Vertikalböe (“sharp gust”) liefert zu große Werte für das Zusatzlastvielfache – daher Abminderungsfaktor. Abminderungsfaktor Die Zusatzlastvielfache gemäß Bauvorschrift liegen ca. 40% unter den Werten für “Sharp Gust” . Typische Abminderungsfaktoren 0,6 bis 0,7. Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

59 Bauvorschrift – Übersicht zum Thema Böenbelastung
CS (c) Flight Envelope, Gust Envelope CS Gust load factors CS Ground gust conditions CS Gust loads (vertical surfaces) CS Gust loads (horizontal tail surfaces) Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

60 Bauvorschrift - Geschichtliches
Vieles in den Vorschriften ist empirisch Methoden wurden sukzessive verbessert – auf Kontinuität wurde geachtet Böengeschwindigkeit wurden im Laufe der Jahre immer wieder angepaßt Verfahren beruht auf theoretischen Überlegungen und Messungen Messungen an 6 Verkehrsflugzeugen, Abminderungsfaktor normalisiert auf Boeing B-247 (W/S=16 lbf/ft2). Verfahren geeignet für langsame Propellerflugzeuge und niedriger Flächenbelastung Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

61 Bauvorschrift - Geschichtliches
Aufkommen von B-707 und DC-8 – alte Verfahren nicht ausreichend: neue Kriterien und neue Definition der Böe notwendig Forschungsarbeit NACA 1953 (siehe NACA TN 2964) Böengeschwindigkeiten wurden so angepaßt, dass sich mit den neuen Berechnungsmethoden bei den damaligen Flugzeugen etwa die selben Lastvielfachen im Vergleich zu den früheren Berechnungsmethoden ergaben Messungen von Böen und Turbulenzspektren bei Verkehrsflugzeugen zwischen 1980 und 1990 Heute „continuous turbulence“ mit definierter PSD. Berücksichtigung von aeroelastischen Verformungen Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

62 Werte in SI-Einheiten einsetzen!
Bauvorschrift Bauvorschrift – Formeln für Böenzusatzlastvielfaches CS Lastvielfaches Dazu berechnen: 1. Massenverhältnis 2. Böenabminderungsfaktor (empirische Gleichung, Berücksichtigt verzögerten Aufbau des Auftriebs) Werte in SI-Einheiten einsetzen! 3. Zusatzlastvielfaches Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

63 Flächenbelastung [N/m2]
Bauvorschrift Massenverhältnis Flächenbelastung [N/m2] Dichte in Flughöhe [kg/m3] Erdbeschleunigung [m/s2] Mittlere Flügeltiefe [m] Auftriebsanstieg [rad-1] Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

64 Bauvorschrift 0.88 Steigendes Zusatz-lastvielfaches
Steigende Flughöhe (Abfallende Dichte) Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

65 Canard und Tandem-Wing
Bauvorschrift Canard und Tandem-Wing AMC (b) Gust load factors The gust alleviation factor Kg as specified in CS (c) will not provide the conservatism required by (b). Using a gust alleviation factor of Kg = 1.2 in the calculation of the gust load of canard or tandem wing configuration may result in conservative net loads with respect to the gust criteria of CS (c). Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

66 Ude ....... 66 fps, 50 fps (15m/s) bzw. 25 fps (7.5 m/s)
Bauvorschrift mit Ude fps, 50 fps (15m/s) bzw. 25 fps (7.5 m/s) (derived) (equivalent) Ude entspricht U0 in untenstehender Skizze, (daher „equivalent“) H U0 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

67 Bauvorschrift Die Verteilung der Böengeschwindigkeit über der Wegstrecke s, die das Flugzeug im Böenfeld zurückgelegt hat, lautet Messungen haben gezeigt, dass die Daten besser korrelieren, wenn H als Vielfaches der mittleren Flügeltiefe aufgetragen wird (anstelle der Distanz in Metern) Ude H Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

68 Bei Design Rough-Air Speed VB Ude = 66 fps (nur Commuter)
Bauvorschrift CS (c) Zusatzlastvielfache werden bei den diversen „Bemessungs-Geschwindigkeiten“ ermittelt, z.B.: (i) Positive (up) and negative (down) gusts of 50 fps at VC must be considered at altitudes between sea level and 6096 m ( ft). The gust velocity may be reduced linearly from 50 fps at 6096 m ( ft) to 25 fps at m ( ft); and .... Werte bis ft Bei Design Rough-Air Speed VB Ude = 66 fps (nur Commuter) Bei Design Cruising Speed VC Ude = 50 fps Bei Design Dive Speed VD Ude = 25 fps Darüber: Lineare Abnahme von bis ft auf die Hälfte des Wertes Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

69 Bauvorschrift Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

70 Böen-Enveloppe Ergebnis
Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

71 Praktische Anwendung: Böen-Enveloppe
Bauvorschrift Praktische Anwendung: Böen-Enveloppe Dnz vc Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

72 nz 1 vC vD -1 Gust Envelope Positive Lasten:
Bei vC muß die Struktur der 50 fps-Böe standhalten 50 fps nz 1 vC vD EAS -1 -50 fps Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

73 Gust Envelope Wichtig: Der kritische Fall (bezüglich Zusatzlastvielfachem durch Böe) ist der Flugfall mit minimaler Masse. Die minimale Flugmasse ist in der Bauvorschrift geregelt: Pilot: 53 kg Kraftstoff für 30 Minuten Für den Belastungstest ist entscheidend, ob die Böenbelastung mit dem der Berechnung zugrunde gelegten Gewicht größer ist als das maximale Abfluggewicht mal der sicheren Last. Wenn ja, dann ist der Böenlastfall kritisch! Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

74 nz 1 vC vD -1 Gust Envelope Positive Lasten:
Bei vD muß die Struktur der 25 fps-Böe standhalten. Linearer Abfall zwischen vC und vD Linearer Abfall 50 fps nz 25 fps 1 vC vD EAS Schlüsselpunkte Manöverenveloppe -1 Schlüsselpunkte Böenenveloppe -50 fps Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

75 nz 1 vC vD -1 Gust Envelope Negative Lasten:
Schlüsselpunkte Manöverenveloppe Negative Lasten: Ebenfalls linearer Abfall zwischen vC und vD Schlüsselpunkte Böenenveloppe 50 fps nz 25 fps 1 vC vD EAS -1 Linearar Abfall -50 fps Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

76 nz 1 vB vC vD -1 Gust Envelope Turbulence Penetration Speed VB 66 fps
Schlüsselpunkte Manöverenveloppe Turbulence Penetration Speed VB Schlüsselpunkte Böenenveloppe 66 fps 50 fps nz 25 fps 1 vB vC vD EAS -25 fps -1 Linearar Abfall -50 fps Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009 -66 fps

77 Manoeuver Envelope Envelope Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009

78 AIAA Education Series, 2. Auflage, 1988
Literatur Frederic M . Hoblit: „Gust Loads on Aircraft: Concepts and Applications“ AIAA Education Series, 2. Auflage, 1988 Dr. Reisinger OUV Wintertagung 2009


Herunterladen ppt "Dr.-Ing. Dieter Reisinger, MSc"

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen