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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
Folie 3 > DLR FB-OP > Gemsa
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“….
Folie 4 > DLR FB-OP > Gemsa
Fliegender Hörsaal
Folie 5 > DLR FB-OP > Gemsa
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
Folie 6 > DLR FB-OP > Gemsa
Fliegender Hörsaal
Das Flugzeug
Folie 7 > DLR FB-OP > Gemsa
Theorie
Statische Stabilität
Hier nur statische Längsstabilität
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 Zustandüberführen
Stabilität: Wie resistent gegen Störungen ist dieser Zustand
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 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???????
Folie 10 > DLR FB-OP > Gemsa
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
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 (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.
Folie 12 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
Längsstabilität – Longitudinal Stability
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.
Folie 13 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
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
Folie 14 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
Längsstabilität – Longitudinal Stability
Folie 15 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
Längsstabilität – Longitudinal Stability
Folie 16 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität: Neutralpunkt
Lw
Lt
Weight
Lw
Lta
t
Folie 17 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität: Neutralpunkt
Lw
Lt
Weight
Lw
t
Folie 18 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität: Neutralpunkt
Lw
Lt
Weight
Lw
Lt
at
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 MACh0 ist die Lage des Angriffspunktes der Luftkräfte der Flügel-Rumpf-Kombination
dd
HVTaTahh
LdCMdC
10
Folie 20 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
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
Folie 21 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
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)
Folie 22 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
Längsstabilität – Longitudinal Stability
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
Folie 23 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
Längsstabilität – Longitudinal Stability
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
Folie 24 > DLR FB-OP > Gemsa
Statische Stabilität
Längsstabilität – Longitudinal Stability
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
Folie 25 > DLR FB-OP > Gemsa
Theorie
Dynamische Stabilität
Hier nur Phygoide
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:
PhygoideAlpha-Schwingung
Seiten- und Querbewegung:Dutch-Roll (gekoppelt)SpiralRoll
Folie 27 > DLR FB-OP > Gemsa
Dynamische Stabilität
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]
Folie 28 > DLR FB-OP > Gemsa
Dynamische Stabilität
Phygoide: Mathematische Abschätzung aus Differentialgleichung der Bewegung
0
5.45
UPn
L
DP C
C707.0
Folie 29 > DLR FB-OP > Gemsa
Dynamische Stabilität
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)
Folie 30 > DLR FB-OP > Gemsa
Theorie
Manöverstabilität
Folie 31 > DLR FB-OP > Gemsa
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
Folie 32 > DLR FB-OP > Gemsa
Manöver Stabilität
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
Folie 33 > DLR FB-OP > Gemsa
Manöver Stabilität
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
Folie 34 > DLR FB-OP > Gemsa
Manöver Stabilität
Vergleich zu statischer Längsstabilität
TEU
CL
e Im M
anöv
er
Statisch
Pull
CL
Fe
Im M
anöv
erStat
isch
Folie 35 > DLR FB-OP > Gemsa
Manöver Stabilität
Einfluss der Schwerpunktslage
TEU
n
e Fwd C
G
Aft CG
Pull
n
Fe
Fwd
CGAft C
G
Folie 36 > DLR FB-OP > Gemsa
Manöver Stabilität
Bestimmung der Manöverpunkte
CG
de/dn
Fwd CG
Aft CG
CG
dFe/dn
Fwd CG
Aft CG
Stick-fixedManeuver Point
Stick-freeManeuver Point
Folie 37 > DLR FB-OP > Gemsa
Manöver Stabilität
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(
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 eingleich großes Lastvielfaches.
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:
2
1
llWbn
Fe
Folie 40 > DLR FB-OP > Gemsa
Manöver Stabilität
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
Folie 41 > DLR FB-OP > Gemsa
Theorie
Steigflug- / Gleitflugleistung
Excess Power
Folie 42 > DLR FB-OP > Gemsa
Steigflug- / Gleitflugleistung
Power required
Power available PropPower available jet
Velocity
Power
Best Rate of Climb Prop
Best Rate of ClimbJet
Folie 43 > DLR FB-OP > Gemsa
Steigflug- / Gleitflugleistung
Excess Power ist Potentielle Energie +Kinetische Energie
Messbar entweder durchBeschleunigung (Level Acceleration, High Performance)Steigleistung (Saw Tooth Climb)
Folie 44 > DLR FB-OP > Gemsa
Steigflug- / Gleitflugleistung
Time
PressureAltitude
Slope = dH/dT
Test Altitude
Airspeed Constant
Folie 45 > DLR FB-OP > Gemsa
Steigflug- / Gleitflugleistung
Rate of Climb
Velocity
Altitude Constant
Folie 46 > DLR FB-OP > Gemsa
Steigflug- / Gleitflugleistung
Rate of Climb
Velocity
Altitude IncreaseBest Angle of ClimbVx
Best Rate of ClimbVy
Folie 47 > DLR FB-OP > Gemsa
Steigflug- / Gleitflugleistung
Altitude
Velocity
Vx Vy
Aircraft CeilingVx = Vy
Folie 48 > DLR FB-OP > Gemsa
Versuchsablauf
Flugvorbereitung
Wetter (Pilot)Beladeplan (Studenten?)Flugleistungen (Pilot)Kraftstoff (Pilot)Briefing (Luftraum, Fluganmeldung, Flugprogramm,….)….
Folie 49 > DLR FB-OP > Gemsa
VersuchsablaufFlugvorbereitung
Beladeplan
Folie 50 > DLR FB-OP > Gemsa
Versuchsablauf
Flugdurchführung
Sicherheit geht vor!Zügiges ArbeitenArbeitsteilungEindeutige KommunikationAbbruchkriterien (Übelkeit, Verkehr, Wetter, Datenerfassung, Flugzeug,….)
Folie 51 > DLR FB-OP > Gemsa
Versuchsablauf
Flugdurchführung
Folie 52 > DLR FB-OP > Gemsa
VIEL SPASS!!!