Momente beim Kurvenflug?

Diskutiere Momente beim Kurvenflug? im Luftfahrtgrundlagen Forum im Bereich Grundlagen, Navigation u. Technik; Hallo, ich bastel gerade als Hobbyprojekt an einem kleinen einfachen Flugspiel. Soll kein Simulator werden, einfach nur ein halbwegs glaubhaftes...

Moderatoren: Learjet
  1. #1 TGib, 13.10.2014
    Zuletzt bearbeitet: 13.10.2014
    TGib

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    Hallo,
    ich bastel gerade als Hobbyprojekt an einem kleinen einfachen Flugspiel. Soll kein Simulator werden, einfach nur ein halbwegs glaubhaftes Modell. Mein Flugmodell ist etwas vereinfacht: z.b. erfolgen Eingaben einfach über Kräfte/ Momente die im zentralen Punkt generiert werden, anstelle von Auftriebs/Widerstandskräften an den jeweiligen Kontrollflächen. Soviel zum Hintergrund.

    Mein Problem ist das der Kurvenflug überhaupt nicht klappt so wie ich mir das vorstelle. Wenn ich das Flugzeug 30° um die Längsachse drehe und keinen weiteren Input gebe fliegt das Flugzeug einfach gerade aus. Realistisch scheint mir das nicht es müsste ja jetzt eigentlich automatisch eine Kurve fliegen, ohne weiteres zutun. So erschien es mir jedenfalls immer wenn ich im Flieger saß.

    Ich hab mich nach Erklärungen umgeschaut aber irgendwie steh ich immer noch gewaltig auf dem Schlauch.
    Wenn der Flieger um 30° geneigt ist zeigt der Auftriebsvektor ja auch nach schräg oben, generiert also eine Kraft zur Seite (wie hier gezeigt z.B.)
    Warum ändert das Flugzeug jetzt aber den Kurs? Warum wird es nicht einfach Schräg zur Seite gedrückt? Genau das passiert nämlich im Moment in meinem Flugmodell. Die Auftriebskraft greift im zentralen Punkt schräg an und das wars. Irgendwas muss in der Realität doch ein Moment generieren damit eine Kursänderung geschieht, oder bin ich völlig auf dem Holzweg?

    Ich wäre dankbar wenn mir hier jemand die Tomaten von den Augen nehmen könnte =]
     
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  3. gero

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    Die Bewegungen um die verschiedenen Achsen sind durch aerodynamische Effekte miteinander gekoppelt. Die seitliche Kraft führt in Deinem Beispiel zu einer seitlichen Bewegung. Wenn der Rumpf erst einmal in seiner ursprünglichen Ausrichtung bleibt, sich aber Vorwärts- und Seitwärtsbewegung überlagern, kommt der Fahrtwind jetzt von schräg vorn und das Seitenleitwerk dreht den Rumpf in die Kurve. Derartige Kopplungen (in diesem Fall Roll-Gier-Kopplung) gibt es einige, ohne diese läßt sich die Bewegung eines Flugzeuges nicht wirklich vernünftig beschreiben.

    gero
     
  4. #3 Schorsch, 13.10.2014
    Schorsch

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    Mein Tipp (von jemanden, der selber den ein oder anderen Flugsimulator geschrieben hat und auch oft auf dem Schlauch stand):

    1. Kümmere Dich erst mal gar nicht um Flugzeug und Fliegen. Es geht um Mechanik im Raum, in diesem Fall um die Kreisbewegung.
    2. Dein "Flugzeug" (richtiger: Massepunkt) macht eine Kreisbewegung, die eben a = v²/r oder F = m*v²/r gehorcht.
    3. Du musst die Ausrichtung Deines Fliegers natürlich aus der Bewegungshistorie berechnen. Sprich: wenn er nach rechts geht, dann wird auch seine Nase zunehmend nach rechts zeigen.

    Du kommst leider nicht darum herum, die mit den 6 Bewegungsgleichungen und den so genannten Euler-Winkeln zu beschäftigen. Man kann Dinge leicht machen, aber es gibt ein Mindestmaß, sonst klappt es eben nicht.

    Noch ein Tipp: fange erstmal mit einem 2D-Simulation an. ein Auto fährt über einen Parkplatz. Schlussendlich ist das die erste Stufe für einen Flugsimulator. Dann muss man eigentlich nur noch ein wenig Auftrieb reinbringen, und wenn man irgendwelche Koppelterme mal weg lässt (wir setzen den sauber geregelten Flieger vorraus), kann man schon richtig damit loslegen!
     
  5. Boogi

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    Hi TGib!

    Dein schräg stehendes Flugzeug wird tatsächlich zur "Seite" verschoben bei zunächst gleich bleibender Ausrichtung. Nun ändert aber die Anströmung ihre Richtung, d.h. Anstell- und Schiebewinkel ändern sich. Beides hat einen Einfluss auf die Kräfte und Momente.
    Diese geänderten Momente sind es dann, die die Rotation des Flugzeugs bewirken.

    Gruß
    Boggi, der bisher nur einen 2D-Flugsimulator gemacht hat, der nur die Bewegung um die Querachse simuliert hat...
     
  6. WaS

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    Modellierst du wirklich Drehmomente? Oder nur Kräfte, die im Schwerpunkt angreifen? Im letzteren Fall kannst du eben nur die Bahnkurve beschreiben, auf der sich ein Punkt (der Schwerpunkt) bewegt. Über die Ausrichtung des Flugzeugs im Raum kann alleine damit noch nichts gesagt werden. Ein Punkt hat ja auch keine Ausrichtung.


    Auf der Seite ist das genauso vereinfacht wie offenbar bei dir: die eingezeichneten Kräfte greifen nur im Schwerpunkt an. Dessen Bahnkurve ändert sich durch die geänderten Kräfte natürlich; im eingezeichneten Fall beschreibt er eine Rechtskurve. Dass sich dabei auch die Ausrichtung des Rumpfs ändert (also in die Kurve dreht), hat Gründe, die alleine aus den in der Zeichnung dargestellten Kräften nicht zu entnehmen sind - siehe die Antworten von gero und Boogi.
     
  7. #6 Schorsch, 13.10.2014
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    Jein, die Ausrichtung der Rumpfes in Fahrtrichtung hat nichts mit Aerodynamik zu tun. Das ist einfach nur Mechanik. Siehe Kettenkarussell. Verständnis von Aerodynamik und Strömungseffekten ist sowieso ziemlich unwichtig für die Flugsimulation, jedenfalls für die einfache.
     
  8. #7 TGib, 13.10.2014
    Zuletzt bearbeitet: 13.10.2014
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    Danke für die zahlreichen Antworten.
    Geh ich richtig in der Annahme das auch das Höhenleitwerk einen ähnlichen Effekt hat? Wenn ich z.B. sehr scharf rolle (z.B. 60°) würde das Seitenleitwerk ja mehr oder weniger nur dafür sorgen das sich das Flugzeug mit der Nase gen Boden dreht, korrekt?
    :headscratch: Dafür wärs natürlich nützlich zu wissen wie es sich verhält wenn ein flugzeug direkt von oben bzw von der Seite angeströmt wird...
    Wo starte ich am Besten auf der Suche nach den restlichen Kopplungen?
    Möglicherweise ist nicht jede Kopplung so signifikant das ich sie in die Vereinfachung mit einbringen muss, aber erstmal wärs ja wichtig die Kopplungen zu kennen^^
    Ich habe ein lokales Koordinatensystem was die Lage des Flugzeugs zum globalen Koordinatensystem beschreibt. Somit gibt es dann auch lokale kräfte (ausrichtung fix zum lokalen KOS),globale Kräfte (fix zum globalen KOS) und natürlich Momente. Punkt war nicht ganz richtig ausgedrückt von mir. :angel:
     
  9. #8 Schorsch, 13.10.2014
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    Ein Flugzeug wird in der Simulation sowieso nur von vorne angeströmt (Annahme kleine Winkel), alles andere führt zu nichts.


    Gar nicht, die anderen Teilnehmer führen Dich hier leider etwas auf den Holzweg.
    Für eine einfache Simulation muss man sich um "Kopplungen" keine Gedanken machen!

    Kräfte werden im experimentellen KOS angegeben, welches weitgehend gleich dem flugzeugfesten KOS ist.
     
  10. #9 TGib, 13.10.2014
    Zuletzt bearbeitet: 13.10.2014
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    Aber eben genau die kleinen Winkel/Komponenten welche nicht direkt von vorne wirken, bewirken doch den Kurvenflug wenn ich das richtig verstanden habe. Und darum gehts mir ja. Irgendwie muss ich ja auf ein Moment kommen was das Flugzeug seinen Kurs ändern lässt. Das die Strömung nicht simuliert wird ist klar, aber ich brauch doch eine Basis/Richtwerte für die Momente damit ich bei 5° neigung nicht einen 5m Kurvenradius mit einem Passagierflugzeug fliege. Wenn ich Kräfte/Momente vereinfache brauch ich ja auch eine physikalische Grundlage.

    Erstmal möchte ich die wichtigen Kräfte und Momente kennen die bei einem realen Flugzeug wirken. Dann kann ich entscheiden wie und was ich vereinfache und was ich weglassen kann.
     
  11. #10 Schorsch, 13.10.2014
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    Nein, hast Du nicht. Dein Problem liegt weniger in der Simulation der Kräfte (und da fallen diese "Koppelungen" samtsonders rein), sondern vielmehr in der Simulation grundlegender dynamischer Zusammenhänge (Kreisbewegung). Die würde ich erst mal lösen, bevor mit der eigentlichen Flugsimulation anfängt.
     
  12. TGib

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    Ja das Problem ist aber, dass ich die Ursache einer Kreisbewegung nicht dadurch beschreiben kann in dem ich einfach annehme das sie vorhanden ist.
    Was würde denn passieren wenn ich im Weltraum unterwegs bin? (ohne gravitationseffekte) Nehmen wir den Auftriebsvektor und den Gravitationsvektor als bewegliche Schubdüsen an. Im Geradeausflug wirken sie entgegengesetzt mit gleichem Betrag. Wir schauen auf das Flugobjekt von hinten. Wenn ich jetzt den Auftriebsvektor um 45° im Uhrzeigersinn rotiere dann fliege ich keine Kurve, sondern beschleunige einfach in eine andere Richtung. Nämlich nach unten und nach Rechts.
    Genau so wie es jetzt mit meinem Flugmodell passiert. Also müssen doch in der Luft zusätzliche Effekte (Momente) wirken welche den Kurvenflug verursaschen. Genau die brauche ich.
     
  13. #12 Schorsch, 13.10.2014
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    Es ist bisschen die Frage: wie gehe ich an die Sache heran.

    Nehme ich erstmal 2 Dimensionen, X und Y (Höhe lassen wir mal fort). Erdfestes KOS.

    Flugzeug fliegt stumpf geradeaus, Richtung X+.
    Flugzeug rollt (welches sich für meinen Massepunkt nicht weiter auswirkt).
    Nun wirkt eine Kraft Senkrecht zur Bewegung, also Richtung Y+.

    Es gilt:
    x_pktpkt = F_x/m; (Schub - Widerstand)
    y_pktpkt = F_y/m; (Seitenkraft durch Rollwinkel)

    Zweifaches integrieren wird eine schöne Kreisbewegung daraus, wobei F_y immer senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt (das Nutzen eines erdfesten KOS erschwert das ganze erheblich).
    Wie aber berechne ich nun die Ausrichtung meines Fliegers im Raum?

    Im Prinzip gilt:
    Psi = atan(dx/dy)
    Psi: Kurs des Flugzeugs

    Bin ich geschickt, berechne ich nicht erst die Position und dann den Winkel, sondern nehme direkt den Winkel als modellierte Zustandsgröße und leite daraus die Position ab.

    psi_pkt = 9.81/Geschwindigkeit * Lastfaktor * sin(Bank Angle)/cos(Flugbahnwinkel);

    Für Horizontalflug vereinfacht:
    psi_pkt = 9.81/Geschwindigkeit * Lastfaktor * sin(Bank Angle);

    Ich habe also eine direkte Beziehung zwischen meinem Bank Angle und der Änderung des Kurses. Muss ich nur noch über der Zeit integrieren.
     
  14. TGib

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    Das will mir nicht einleuchten.
    Wenn das KOS erdfest ist, kann Fy nicht auf einmal die Richtung ändern.
    Die Bewegungsgleichung einer Kreisbahn funktioniert ohne sin und cos nicht.

    Und der Winkel den man ausrechnen kann ist nur der Winkel des Bewegungsvektors zum erdfesten KOS. Wenn man sagt das Flugzeug hat den gleichen Winkel wie der Bewegungsvektor ist das eine Annahme die man trifft. Da ich aber Kräfte angreifen lasse und nicht über Koordinaten/Winkel die Position "fest-tackere" muss es Momente geben die eine Rotation bewirken. Denn wie bereits erwähnt - im Vakuum fliegt man keine Kreisbahn wenn sich auf einmal der Lift Vektor dreht.
     
  15. #14 WaS, 13.10.2014
    Zuletzt bearbeitet: 13.10.2014
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    Stell's dir in zwei statt drei Dimensionen vor (Flug in konstanter Höhe), dann ist es einfacher:

    Der Trick ist die Voraussetzung, dass die Längsachse des Flugzeugs immer eine Tangente zur Bahnkurve bildet. (*)

    Der horizontal wirkende Anteil der Auftriebskraft ist in einem aufs Flugzeug bezogenen KOS natürlich in der Richtung fest, eben senkrecht zur Längsachse, aber relativ zur Erde ändert er sich dann ständig in der Richtung.

    Und eine Kraft, die immer senkrecht zur Tangente der Bewegungsrichtung zeigt, woher kennen wir so etwas? Genau, das ist die Zentripetalkraft, die dich auf eine Kreisbahn zwingt!

    (*) Ich lasse mal dahingestellt, ob das wirklich ohne Aerodynamik begründbar ist.
     
  16. Lubeo

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    Folgendes setze ich mal als Bekannt voraus:
    http://avstop.com/ac/flighttrainghandbook/imagei44.jpg

    Sehe es zur Zeit auch so, dass ein Moment entstehen muss. Und zwar entsteht dieses nur in der Horizontalen bestehend aus der Horizontalkomponente des Tragflächenauftriebs sowie der Horizontalkomponente des Höhenruderabtriebs. "Mit der Zeit" stellt sich dann die Zentrifugalkraft ein, so dass die Summe der Kräfte Null ist, nicht aber die Summe der Momente um den Schwerpunkt.
    So weit die Theorie.
     
  17. Lubeo

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  18. #17 Schorsch, 13.10.2014
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    Im Vakuum gibt es aber auch keinen Auftrieb. Daher ist das nicht direkt übertragbar.
    Auftrieb - bzw Lift Vector - wirkt eben immer senkrecht zur Flugrichtung.
     
  19. TGib

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    Deswegen hab ich den in meinem beispiel ja auch durch ne schubdüse ersetzt, genauso wie die gravitationskraft.
     
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  21. gero

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    Wie entsteht die Kreisbahn? Abgesehen davon, daß das ja in den oben stehenden Formeln "drinsteht". Der Kern ist die Kraft, die immer rechtwinklig zur Bewegungsrichtung wirkt. Zusammen mit der Schubkraft ergibt das eine Resultierende, die von der Bewegungsrichtung seitlich abweicht. Damit dreht sich der ursprüngliche Kraftvektor der "Seitenkraft". Wenn die Kräfte konstant bleiben, ergibt das einen Kreis, dessen Radius von der "Seitenkraft" (aka Zentripetalkraft) abhängt.

    gero
     
  22. #20 Schorsch, 14.10.2014
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    Wie auch immer. Ich habe mit meinem Krims-Krams funktionierende Flugsimulationen erzeugt. Das ganze fußt auf klassischer Flugmechanik, ein wenig vereinfacht. Die Ergebnisse aus der Simulation sind prinzipiell validiert. Wenn Du das also anders siehst, dann wünsche ich Dir viel Erfolg dabei. Mehr als mundgerecht und kostenlos geht leider auch im Mitmach-Internet nicht.
     
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