Fragen zur indifferenten Flugzeugauslegung

[Hanef228]

Ich habe von dem erwähnten Prof der RWTH Aachen fünf verschiedene, teils englische, Literatur-pdfs erhalten (z.B. Unterlagen der TU Berlin bzgl. der Flugdynamik im ersten Semester). Da steht schon einiges drin, manches nicht ohne weiteres verständlich, aber das Prinzip rund um Druckpunkt/Neutrapunkt, Schwerpunkt und fly-by-wire ist mir schon grob klar.
Werde am Wocheende und in der nächsten Woche dann so richtig anfangen zu schreiben, da im Moment noch normale Schulklausuren anstehen.

PS: Im Moment plane, nach dem Abi im April, Maschinenbau zu studieren, um mich nicht dann schon auf ein spezialisiertes Ingenieursstudium (z.B. Luft-/ & Raumfahrt) festlegen zu müssen. Finds nämlich ziemlich schwierig sich mit, dann immernoch, 17 Jahren schon auf ein entgültiges Studienfach festzulegen.

 

[Hanef228]

Noch eine kurze Frage

Wird die Position von Neutral-/ oder aber auch vom Schwerpunkt durch den Wechsel von Unter- zu Überschall beeinflusst, sodass ein bei mach < 1 instabil ausgelegt sein kann und dann bei mach > 1 plötzlich stabil ist?
(nur auf Längsstabilität bezogen)

vielen Dank

 

[Reaper]

Jupp im Überschall verschiebt sich der Neutralpunkt nach hinten, bedingt durch die Aerodynamik. Der Schwerpunkt bleibt konstant. Die XB-70 z.b. http://www.murdoconline.net/2008/xb-70_stbd.jpg klappt die Flügelspitzen nach unten um die Verschiebung auszugleichen!

 

[Hanef228]

Kurze, präizse Antowrt, mit so etwas kann man arbeiten

vielen Dank

 

[Schorsch]

Noch eine kurze Frage

Wird die Position von Neutral-/ oder aber auch vom Schwerpunkt durch den Wechsel von Unter- zu Überschall beeinflusst, sodass ein bei mach < 1 instabil ausgelegt sein kann und dann bei mach > 1 plötzlich stabil ist?
(nur auf Längsstabilität bezogen)

vielen Dank

Tatsächlich ist diese Neutralpunktwanderung der maßgebliche Grund für die "indifferente Auslegung". Viel wird geschrieben über besser Wendigkeit und geringeren Widerstand. Stimmt vielleicht, aber die Vorteile sind hinreichend latte um so eine komplexe Sache zu machen. Trans/Überschall-Wendigkeit ist der wirkliche Motor, und tatsächlich verbessert sich diese ziemlich üppig.

 

[Hanef228]

So die nächste Fragerunde

"Günstige Verhältnisse liegen vor, wenn der Neutralpunkt des Gesamtflugzeugs möglichst weit hinter
dem Neutralpunkt des Flügels liegt, so daß der Schwerpunkt hinter dem Flügel-Neutralpunkt, aber
noch vor dem Gesamt-Neutralpunkt liegen kann."
(Quelle:"Flugmechanik I, Grundlagen und stationäre Flugzustände, WS 2000/2001",TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN,Institut für Luft- und Raumfahrt,Fachgebiet Flugmechanik und Flugregelung; S. 110)

Heißt das, dass das Gesamtflugzeug dann stabil ist, aber trotzdem das Höhenleitwerk zur auftriebsgewinnung mitgenutzt wird, sodass das Flugzeug wirtschaftlicher fliegt?



Quelle Grafik: Eigene Darstellung in Anlehnung an "Flugmechanik I, Grundlagen und stationäre Flugzustände, WS 2000/2001",TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN,Institut für Luft- und Raumfahrt,Fachgebiet Flugmechanik und Flugregelung; S. 109

 

[Schorsch]

So die nächste Fragerunde

"Günstige Verhältnisse liegen vor, wenn der Neutralpunkt des Gesamtflugzeugs möglichst weit hinter
dem Neutralpunkt des Flügels liegt, so daß der Schwerpunkt hinter dem Flügel-Neutralpunkt, aber
noch vor dem Gesamt-Neutralpunkt liegen kann."
(Quelle:"Flugmechanik I, Grundlagen und stationäre Flugzustände, WS 2000/2001",TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN,Institut für Luft- und Raumfahrt,Fachgebiet Flugmechanik und Flugregelung; S. 110)

Heißt das, dass das Gesamtflugzeug dann stabil ist, aber trotzdem das Höhenleitwerk zur auftriebsgewinnung mitgenutzt wird, sodass das Flugzeug wirtschaftlicher fliegt?



Quelle Grafik: Eigene Darstellung in Anlehnung an "Flugmechanik I, Grundlagen und stationäre Flugzustände, WS 2000/2001",TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN,Institut für Luft- und Raumfahrt,Fachgebiet Flugmechanik und Flugregelung; S. 109

Ja, das stimmt. Allerdings ist der Effekt nicht so dramatisch. Im Endeffekt gilt, dass sehr hohe Marge (ob positiv oder negativ) nie gut ist. Optimal (rein flugphysikalisch) wäre null. Die Position hinter dem Flügel-NP, aber vor dem Gesamt-NP, kann in zwar statisch stabilen (also Cm kleiner null), aber dynamisch trotzdem recht anspruchsvoll zu fliegenden Flugzeugen resultieren. Weiterhin gilt: damit das Höhenleitwerk den Flugzeug-NP überhaupt hinreichend verändert, muss es groß und mächtig sein. Das ist ungünstig an sich.
Um schlussendlich: der Schwerpunkt ist ja kein ins Flugzeug gestanzter Parameter, sondern je nach Beladung durchaus verschieden. Daher ist der induzierte Widerstand auch eine Funktion des Schwerpunkts, und je nach Flugzeugauslegung ist diese Funktion stärker (meist bei großen Fliegern) oder kleiner.

 

[alphamike]

So die nächste Fragerunde

"Günstige Verhältnisse liegen vor, wenn der Neutralpunkt des Gesamtflugzeugs möglichst weit hinter
dem Neutralpunkt des Flügels liegt, so daß der Schwerpunkt hinter dem Flügel-Neutralpunkt, aber
noch vor dem Gesamt-Neutralpunkt liegen kann."
(Quelle:"Flugmechanik I, Grundlagen und stationäre Flugzustände, WS 2000/2001",TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN,Institut für Luft- und Raumfahrt,Fachgebiet Flugmechanik und Flugregelung; S. 110)

Heißt das, dass das Gesamtflugzeug dann stabil ist, aber trotzdem das Höhenleitwerk zur auftriebsgewinnung mitgenutzt wird, sodass das Flugzeug wirtschaftlicher fliegt?



Quelle Grafik: Eigene Darstellung in Anlehnung an "Flugmechanik I, Grundlagen und stationäre Flugzustände, WS 2000/2001",TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN,Institut für Luft- und Raumfahrt,Fachgebiet Flugmechanik und Flugregelung; S. 109

Typischerweise werden heutzutage Flugzeuge, bei denen es nicht auf Wendigkeit ankommt, so ausgelegt, daß das Höhenleitwerk im Betriebspunkt, wenn überhaupt, nur sehr wenig Auf- oder Abtrieb liefert (die niedrige Streckung des Höhenleitwerks würde ansonsten zu erheblichem induzierten Widerstand führen).

Der Vorteil der von Dir angeführten Aussage besteht darin, daß man die Fläche des Höhenleitwerks (und dadurch dessen Widerstand) verringern kann (siehe Evolution der DC-10 zur MD-11, letztere hat ein ca. 30 Prozent kleineres Höhenleitwerk).


Daß das Höhenleitwerk eines "stabil" ausgelegten Flugzeuges grundsätzlich Abtrieb erzeugt, ist ohnehin eine urbane Legende - in bestimmten Flugzuständen (extremer Langsamflug) erzeugt praktisch jedes Höhenleitwerk Auftrieb.


Was für Dich interessant sein könnte: Die Evolution der (stabil ausgelegten) Mirage III zur (instabilen) Mirage 2000. Aerodynamisch praktisch identisch, wurde bei letzterer der Schwerpunkt erheblich zurückverlegt, wodurch der Flieger um die Querachse instabil wurde. Durch diese Maßnahme verdoppelten sich die Nutzlast und Wendigkeit.

Grund: Durch den weit hintenliegenden Schwerpunkt müssen -im Gegensatz zur Mirage III- die Höhenruder im Kurvenflug und bei Start/Landung nicht mehr nach oben ausschlagen (um die Nase hochzuziehen), wodurch sich Auftrieb und Gleitzahl des Flügels erheblich erhöhten.

Andreas

 

[Toryu]

Zusätzlich hat die M2000 auch eine um 2° geringere Pfeilung (58° gegenüber den 60° der MIII) und Slats, sowie Strakes hinter den Lufteinlässen.

All diese Maßnahmen tragen zu den drastisch verbesserten Kurvenleistungen bei.

 

[Schorsch]

Typischerweise werden heutzutage Flugzeuge, bei denen es nicht auf Wendigkeit ankommt, so ausgelegt, daß das Höhenleitwerk im Betriebspunkt, wenn überhaupt, nur sehr wenig Auf- oder Abtrieb liefert (die niedrige Streckung des Höhenleitwerks würde ansonsten zu erheblichem induzierten Widerstand führen).

Das Höhenleitwerk wird durch eine ganze Reihe von Anforderungen dimensioniert. Ginge es nur um geradeausfliegen ohne Klappen könnte man es deutlich kleiner gestalten. Bei zivilen Flugzeugen sind eine ganze Reihe von Anforderungen abzudecken, die sich mit ein bisschen Betrachtung der statischen Längsstabilität kaum abfrühstücken lassen. Deswegen ist das Thema auch stets leidig.

Der Vorteil der von Dir angeführten Aussage besteht darin, daß man die Fläche des Höhenleitwerks (und dadurch dessen Widerstand) verringern kann (siehe Evolution der DC-10 zur MD-11, letztere hat ein ca. 30 Prozent kleineres Höhenleitwerk).

Und man sieht sehr wie gut das nach hinten los geht: die MD-11 ist schwierig zu fliegen, und hat eine zu geringe Stabilitätsmarge für ihre Flugsteuerung. So einfach mal Neutralpunkt irgendwo hinpflanzen geht nur im Flugmechanik I Skript. Wer den zweiten Teil liest, ist wenigstens etwas schlauer. Deswegen ist das Thema auch etwas leidig.

Was für Dich interessant sein könnte: Die Evolution der (stabil ausgelegten) Mirage III zur (instabilen) Mirage 2000. Aerodynamisch praktisch identisch, wurde bei letzterer der Schwerpunkt erheblich zurückverlegt, wodurch der Flieger um die Querachse instabil wurde. Durch diese Maßnahme verdoppelten sich die Nutzlast und Wendigkeit.
Grund: Durch den weit hintenliegenden Schwerpunkt müssen -im Gegensatz zur Mirage III- die Höhenruder im Kurvenflug und bei Start/Landung nicht mehr nach oben ausschlagen (um die Nase hochzuziehen), wodurch sich Auftrieb und Gleitzahl des Flügels erheblich erhöhten.

Das ist so wie es da steht schlicht falsch.
Die Mirage 2000 hat "relaxed Stability", das stimmt. Aber die nicht ist allein verantwortlich für die wundersame Brotvermehrung, eigentlich trägt sie wenig bei. Erstmal steckt da ein neues Triebwerk drin. Der Flügel ist anders. Sie hat ein "adaptivels Flugprofil" (sprich: automatische Vorflügel). Weiterhin ganz andere Möglichkeiten hinsichtlich Außenlasten. Aerodynamisch ist da nichts identisch, nur die Abmessungen sind grob gleich.
Das bisschen mehr Gleitzahl ist total egal (man kommt von mies auf ausreichend). Es geht vor allem um die Fähigkeit irgendeine Form des Hochauftriebs am Flügel zu nutzen, was ein klassischer Delta nicht kann. Die digitale Reglerunterstützte Flugsteuerung der Mirage 2000 macht einiges möglich, die verringerte oder gar negative Stabilitätsmarge ist da nur ein Teil des Pakets. Gleiches gilt für die F-16.

 

[Schorsch]

Zusätzlich hat die M2000 auch eine um 2° geringere Pfeilung (58° gegenüber den 60° der MIII) und Slats, sowie Strakes hinter den Lufteinlässen.

All diese Maßnahmen tragen zu den drastisch verbesserten Kurvenleistungen bei.

Das um 30% bessere Schub-Gewichtsverhältnis könnte auch eine Rolle spielen ... möglicherweise.

 

[Toryu]

Nein! Doch! Ooooh!

Das TW hat nichts mit der Flugmechanik/ Aerodynmik zu tun, wenn auch einer der wichtigste Faktoren - eine F.1 mit dem M53 (anstatt Atar 9k-50) hat ein paar Jahre davor schon ganz gut ihre Krallen zeigen können.

 

[beistrich]

... Finds nämlich ziemlich schwierig sich mit, dann immernoch, 17 Jahren schon auf ein entgültiges Studienfach festzulegen.

Ist mit ein paar mehr Jahren auf dem Buckel auch nicht einfacher ;) Wichtig ist das zu machen was dich interessiert und das dann durchzuziehen.

 

[Hanef228]

Als Freund von schematischen Darstellungen habe ich mir eine zur indifferenten Auslegung zusammengeschustert. Wusste aber nicht genau was das Höhenruder so macht, habe dann einfach mal auf eine kleine Auftriebskraft getippt. Stimmt das dann so ?

 

[arneh]

Als Freund von schematischen Darstellungen habe ich mir eine zur indifferenten Auslegung zusammengeschustert. Wusste aber nicht genau was das Höhenruder so macht, habe dann einfach mal auf eine kleine Auftriebskraft getippt. Stimmt das dann so ?

Das hängt von der Summe der Momente um den Neutralpunkt ab. Wenn die positiv sind hättest Du leichten Abtrieb am HLW, wenn sie dagegen negativ sind, leichten Auftrieb.
Dies hängt dann z.B. vom gewählten Profil aber ggf. auch vom Design des Rumpfes ab.
Kann man rein auf Basis einer indifferenten Auslegung so nicht allgemeingültig beantworten.
Viele Tragflächen- Profile haben aber einen negativen Momentenkoeffizient im Neutralpunkt. In dem Falle würde deine Skizze passen.
Dann kommen aber noch Faktoren wie die Verwendung von Slats und/oder Flaps dazu. die haben auch wieder unmittelbaren Einfluss auf den Momentenkoeffizient.

 

[Schorsch]

Als Freund von schematischen Darstellungen habe ich mir eine zur indifferenten Auslegung zusammengeschustert. Wusste aber nicht genau was das Höhenruder so macht, habe dann einfach mal auf eine kleine Auftriebskraft getippt. Stimmt das dann so ?

Eine indifferent Auslegung heißt ja keine Stabilitäsmarge.
In der Praxis ist es so, dass der tatsächliche Angriffspunkt des Auftriebs sich ständig ändert. Je stabiler das Flugzeug (hohe Stabilitätsmarge), desto schneller wird es wieder zurück geführt. Sprich: ein kleine Erhöhung des Auftriebs führt umgehend zu einem "Nose Down" Moment und damit zu einer Reduzierung des Auftriebs. Diese "schnelle Anpassung" ist ein dynamischer Prozess. Je nach Auslegung kann es auch Überschwinger geben.

Unterhalb einer Marge von 5-10% (bisschen abhängig von der Trägheit des Flugzeugs) muss ein Pilot durch einen Flugregler (vulgo: "Computersteuerung") unterstützt werden, da sonst das Flugzeug nicht mehr mit vertretbaren Aufwand beherrschbar ist.

Negativer Margen bis 5-10% sind technisch beherrschbar, danach wird es selbst für den Computer schwieirig, da die Reaktionsgeschwindigkeit des ganzen Systems eventuell nicht ausreicht.

Bei einer indifferenten Auslegung sollte am HLW eigentlich gar nichts passieren. Jedenfalls im Idealzustand. Bei einer AStörung würde es ja nach Art der Störung Auf- oder Abtrieb erzeugen.

 

[phantomas2f4]

Ebenfalls instabil im Grunde is auch die F-16. War der erste Fighter der ende der 70er Jahre komplett elektrisch gesteurt wurde.

....zählt die MiG 29 A nicht auch zu einer der Kandidaten, trotz herrkömmlicher Flugsteuerung....?

Klaus

 

[Toryu]

Bei herkömmlicher Steuerung muss entweder ein komplexes hydromechanisches Regler-/ Dämpfersystem, oder (bei dessen Ausfall) der Pilot für die erforderliche Stabilisierung aufkommen. Da gibts natürlich eher Grenzen als bei elektrischer Steuerung.

Ich denke, man kann das Flugsteuersystem der MiG eher mit jenem der F-4 (und seinen zig Stability-Augmentation-Funktionen) vergleichen. Die F-4 ist allerdings Flugmechanisch auch eher ein Trümmerbruch.

Ein Anzeichen (weil Ziel) von "Relaxed Stability" ist nicht nur eine erhöhte Pitch-Rate bei geringeren Geschwindigkeiten, sondern auch ein gesteigertes G-Potential in transonischen Bereich. Da sieht die MiG aber IIRC nicht so gut aus.

Dass in der SU das Thema "Relaxed Stability" zur Zeit der MiG-29-Entwicklung offenbar noch nicht gänzlich beherrscht wurde, sieht man an den Stabilitätsproblemen der (mit FBW ausgestatteten) T-10/ Su-27.

 

[arneh]

Wenn Du mal ein paar Beispiele von Tragflügelpolaren betrachten möchtest, ist der NACA Report 460 immer ein guter Einstieg.

http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/1933/naca-report-460.pdf

Da siehst Du wie so eine typische Tragflügelpolare aussieht und auch wie der Momentenkoeffizient an der Viertelpunktlinie aussieht. Dessen Verlauf über Alpha zeigt Dir dann auch schön, ob der Neutralpunkt genau auf der Viertelpunktlinie liegt oder etwas davon abweicht.
Wenn cm(Alpha) genau eine zur X-Achse parallele Gerade ist (Jeweils in den rechten Diagrammen im Report), ist der Neutralpunkt genau die Viertelpunktlinie. Wie Du sehen wirst ist er für die meisten betrachteten Profile ziemlich konstant und leicht negativ.

Wenn der Schwerpunkt genau im Neutralpunkt liegt und der Rumpf unberücksichtigt bleibt, würde eine kleine Abtriebskraft (Momentenkoeffizient x Hebelarm) am HLW benötigt. Verschiebt sich durch den Rumpf und Leitwerk der Gesamtneutralpunkt nach hinten, wird dagegen ggf. Auftrieb am HLW benötigt. Das wäre dann wie in deiner Zeichnung.

 

[Schorsch]

....zählt die MiG 29 A nicht auch zu einer der Kandidaten, trotz herrkömmlicher Flugsteuerung....?

Klaus

Die MiG-29 war nicht mit reduzierter Stabilitätsmarge ausgelegt. Deswegen ist ihre Flugleistung oberhalb Mach 1 auch so viel schlechter als die einer F-16. Sie Suchoi 27 hatte "relaxed Stability", die F-15 wiederum nicht.