Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“

1. 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° +3,8g bis -1,52g • Maximales Lastvielfache Klappen 10,20,30° +2,4g 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. 3 1 2 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

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 23.145 Longitudinal Control • CS 23.173 Static Longitudinal Stability • CS 23.175 Demonstration of static Longitudinal Stability • CS 25.145 Longitudinal Control • CS 25.173 Static Longitudinal Stability • CS 25.175 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 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)

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. 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. TEU Im Manöver e Statisch CL Manöver Stabilität • Vergleich zu statischer Längsstabilität Pull Im Manöver Fe Statisch CL

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

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

37. 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. q Turns Pull-ups Manöver Stabilität • Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug 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 25.---: • 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 Vy Vx 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,….)