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Seminar zum Fliegenden Hörsaal Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen.

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Präsentation zum Thema: "Seminar zum Fliegenden Hörsaal Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen."—  Präsentation transkript:

1 Seminar zum Fliegenden Hörsaal Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen

2 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

3 Folie 3 > DLR FB-OP > Gemsa 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….

4 Folie 4 > DLR FB-OP > Gemsa Fliegender Hörsaal

5 Folie 5 > DLR FB-OP > Gemsa Fliegender Hörsaal Das Flugzeug Cessna C208B Grand Caravan 3970kg MTOM V NE = 175KIAS Länge12,67m Spannweite15,57m Höhe4,71m Flügelfläche25,96m2 Maximales Lastvielfache Klappen 0° +3,8g bis -1,52g Maximales Lastvielfache Klappen 10,20,30° +2,4g bis 0g

6 Folie 6 > DLR FB-OP > Gemsa Fliegender Hörsaal Das Flugzeug

7 Folie 7 > DLR FB-OP > Gemsa Theorie Statische Stabilität Hier nur statische Längsstabilität

8 Folie 8 > DLR FB-OP > Gemsa 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

9 Folie 9 > DLR FB-OP > Gemsa 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???????

10 Folie 10 > DLR FB-OP > Gemsa 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 1 2 3

11 Folie 11 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability In obiger Abbildung zeigt Punkt 1 den ausgetrimmten Zustand. Die Summe der Momente um die Querachse (C M = 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 C L (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.

12 Folie 12 > DLR FB-OP > Gemsa 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.

13 Folie 13 > DLR FB-OP > Gemsa 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

14 Folie 14 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability

15 Folie 15 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability

16 Folie 16 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität: Neutralpunkt Lw Lt Weight Lw Lt a t

17 Folie 17 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität: Neutralpunkt Lw Lt Weight Lw t

18 Folie 18 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität: Neutralpunkt Lw Lt Weight Lw Lt a t

19 Folie 19 > DLR FB-OP > Gemsa 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 h 0 ist die Lage des Angriffspunktes der Luftkräfte der Flügel-Rumpf-Kombination

20 Folie 20 > DLR FB-OP > Gemsa 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).

21 Folie 21 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability Stick-free

22 Folie 22 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability

23 Folie 23 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability

24 Folie 24 > DLR FB-OP > Gemsa Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability Gesetzliche Vorschriften : CS Longitudinal Control CS Static Longitudinal Stability CS Demonstration of static Longitudinal Stability CS Longitudinal Control CS Static Longitudinal Stability CS Demonstration of static Longitudinal Stability

25 Folie 25 > DLR FB-OP > Gemsa Theorie Dynamische Stabilität Hier nur Phygoide

26 Folie 26 > DLR FB-OP > Gemsa 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

27 Folie 27 > DLR FB-OP > Gemsa Dynamische Stabilität Phygoide: Meist schwach gedämpft, aber leicht beherrschbar wegen niedriger Frequenz

28 Folie 28 > DLR FB-OP > Gemsa Dynamische Stabilität Phygoide: Mathematische Abschätzung aus Differentialgleichung der Bewegung

29 Folie 29 > DLR FB-OP > Gemsa Dynamische Stabilität Phygoide: Gesetzliche Vorschriften CS (c) Darf nicht so instabil sein, dass sie die Arbeitsbelastung des Piloten erhöht oder das Flugzeug anderweitig gefährdet. ACHTUNG: Darf instabil sein! CS (c)

30 Folie 30 > DLR FB-OP > Gemsa Theorie Manöverstabilität

31 Folie 31 > DLR FB-OP > Gemsa 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.

32 Folie 32 > DLR FB-OP > Gemsa 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

33 Folie 33 > DLR FB-OP > Gemsa 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:

34 Folie 34 > DLR FB-OP > Gemsa Manöver Stabilität Vergleich zu statischer Längsstabilität TEU CLCL e Im Manöver Statisch Pull CLCL FeFe Im Manöver Statisch

35 Folie 35 > DLR FB-OP > Gemsa Manöver Stabilität Einfluss der Schwerpunktslage TEU n e Fwd CG Aft CG Pull n FeFe Fwd CG Aft CG

36 Folie 36 > DLR FB-OP > Gemsa Manöver Stabilität Bestimmung der Manöverpunkte CG d e /dn Fwd CG Aft CG CG dF e /dn Fwd CG Aft CG Stick-fixed Maneuver Point Stick-free Maneuver Point

37 Folie 37 > DLR FB-OP > Gemsa 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

38 Folie 38 > DLR FB-OP > Gemsa Manöver Stabilität 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 ein gleich großes Lastvielfaches.

39 Folie 39 > DLR FB-OP > Gemsa 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:

40 Folie 40 > DLR FB-OP > Gemsa Manöver Stabilität Gesetzliche Vorschriften CS : 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 : Macht keine Aussage mehr Warum? Eventuell wegen Fly-by-Wire

41 Folie 41 > DLR FB-OP > Gemsa Theorie Steigflug- / Gleitflugleistung Excess Power

42 Folie 42 > DLR FB-OP > Gemsa Steigflug- / Gleitflugleistung Power required Power available Prop Power available jet Velocity Power Best Rate of Climb Prop Best Rate of Climb Jet

43 Folie 43 > DLR FB-OP > Gemsa Steigflug- / Gleitflugleistung Excess Power ist Potentielle Energie + Kinetische Energie Messbar entweder durch Beschleunigung (Level Acceleration, High Performance) Steigleistung (Saw Tooth Climb)

44 Folie 44 > DLR FB-OP > Gemsa Steigflug- / Gleitflugleistung Time Pressure Altitude Slope = dH/dT Test Altitude Airspeed Constant

45 Folie 45 > DLR FB-OP > Gemsa Steigflug- / Gleitflugleistung Rate of Climb Velocity Altitude Constant

46 Folie 46 > DLR FB-OP > Gemsa Steigflug- / Gleitflugleistung Rate of Climb Velocity Altitude Increase Best Angle of Climb Vx Best Rate of Climb Vy

47 Folie 47 > DLR FB-OP > Gemsa Steigflug- / Gleitflugleistung Altitude Velocity Vx Vy Aircraft Ceiling Vx = Vy

48 Folie 48 > DLR FB-OP > Gemsa Versuchsablauf Flugvorbereitung Wetter (Pilot) Beladeplan (Studenten?) Flugleistungen (Pilot) Kraftstoff (Pilot) Briefing (Luftraum, Fluganmeldung, Flugprogramm,….) ….

49 Folie 49 > DLR FB-OP > Gemsa Versuchsablauf Flugvorbereitung Beladeplan

50 Folie 50 > DLR FB-OP > Gemsa Versuchsablauf Flugdurchführung Sicherheit geht vor! Zügiges Arbeiten Arbeitsteilung Eindeutige Kommunikation Abbruchkriterien (Übelkeit, Verkehr, Wetter, Datenerfassung, Flugzeug,….)

51 Folie 51 > DLR FB-OP > Gemsa Versuchsablauf Flugdurchführung

52 Folie 52 > DLR FB-OP > Gemsa VIEL SPASS!!!


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