Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“

Präsentation zum Thema: "Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“"—  Präsentation transkript:

1 Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“
Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“

2 Übersicht Fliegender Hörsaal Das Konzept Das Flugzeug Theorie
Statische Stabilität Dynamische Stabilität Manöverstabilität Steigflug- / Gleitflugleistung Versuchsablauf Flugvorbereitung Flugdurchführung Auswertung

3 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 Fliegender Hörsaal

5 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° ,8g bis -1,52g Maximales Lastvielfache Klappen 10,20,30° ,4g bis 0g

6 Fliegender Hörsaal Das Flugzeug

7 Theorie Statische Stabilität Hier nur statische Längsstabilität

8 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 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 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 Statische Stabilität 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.

12 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 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 Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability

15 Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability

16 Statische Stabilität: Neutralpunkt
Lw Lw Lt  Lt a t Weight

17 Statische Stabilität: Neutralpunkt
Lw Lw Lt  t Weight

18 Statische Stabilität: Neutralpunkt
Lw Lw Lt Lt  a t Weight

19 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 h0 ist die Lage des Angriffspunktes der Luftkräfte der Flügel-Rumpf-Kombination

20 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 Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability
Stick-free

22 Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability

23 Statische Stabilität Längsstabilität – Longitudinal Stability

24 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 Theorie Dynamische Stabilität Hier nur Phygoide

26 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 Dynamische Stabilität
Phygoide: Meist schwach gedämpft, aber leicht beherrschbar wegen niedriger Frequenz

28 Dynamische Stabilität
Phygoide: Mathematische Abschätzung aus Differentialgleichung der Bewegung

29 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 Theorie Manöverstabilität

31 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 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 Dieser zusätzliche Anstellwinkel bestimmt sich zu:
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 Manöver Stabilität Pull TEU Im Manöver Im Manöver Statisch e Fe
Vergleich zu statischer Längsstabilität TEU CL e Im Manöver Statisch Pull Im Manöver Fe Statisch CL

35 Manöver Stabilität Pull TEU Fwd CG Fwd CG Aft CG e Fe Aft CG n n
Einfluss der Schwerpunktslage TEU n e Fwd CG Aft CG Pull Fwd CG Fe Aft CG n

36 Manöver Stabilität CG de/dn Fwd CG Aft CG CG dFe/dn Fwd CG Aft CG
Bestimmung der Manöverpunkte CG de/dn Fwd CG Aft CG CG dFe/dn Fwd CG Aft CG Stick-fixed Maneuver Point Stick-free Maneuver Point

37 Manöver Stabilität Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug
Aus der Mechanik folgt für die Nickrate Kurvenflug Aus der Mechanik des Kurvenfluges folgt Nickrate ist damit

38 Manöver Stabilität q Turns Pull-ups n
Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug q Turns Pull-ups n 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 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 Manöver Stabilität 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 : Macht keine Aussage mehr Warum? Eventuell wegen Fly-by-Wire

41 Theorie Steigflug- / Gleitflugleistung Excess Power

42 Steigflug- / Gleitflugleistung
Power Power available jet Power available Prop Best Rate of Climb Jet Best Rate of Climb Prop Power required Velocity

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

44 Steigflug- / Gleitflugleistung
Airspeed Constant Pressure Altitude Slope = dH/dT Test Altitude Time

45 Steigflug- / Gleitflugleistung
Altitude Constant Rate of Climb Velocity

46 Steigflug- / Gleitflugleistung
Rate of Climb Best Rate of Climb Vy Altitude Increase Best Angle of Climb Vx Velocity

47 Steigflug- / Gleitflugleistung
Aircraft Ceiling Vx = Vy Altitude Vx Vy Velocity

48 Versuchsablauf Flugvorbereitung Wetter (Pilot) Beladeplan (Studenten?)
Flugleistungen (Pilot) Kraftstoff (Pilot) Briefing (Luftraum, Fluganmeldung, Flugprogramm,….) ….

49 Versuchsablauf Flugvorbereitung Beladeplan

50 Versuchsablauf Flugdurchführung Sicherheit geht vor! Zügiges Arbeiten
Arbeitsteilung Eindeutige Kommunikation Abbruchkriterien (Übelkeit, Verkehr, Wetter, Datenerfassung, Flugzeug,….)

51 Versuchsablauf Flugdurchführung

52 VIEL SPASS!!!