Dieter Scholz

Flugmechanik – Flugleistung und statische Stabilität der Längsbewegung

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Zitiervorschlag:
SCHOLZ, Dieter, 2022. Flugmechanik – Flugleistung und statische Stabilität der Längsbewegung. Vorlesungsskript. Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg. Verfügbar unter: http://SkriptFlugmechanik.ProfScholz.de.

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1 Einleitung (Allg. Hinweise, ISA, Höhenskalen, Geschwindigkeiten, Temperaturen)
1-1 Flugmechanik 1
1-2 Inhaltsverzeichnis
1-3 Einleitung / allgemeine Hinweise, Achsen und Bewegungen
1-4 Aufteilung Längs-/Seitenbewegung
1-5 Vorgenommene Vereinfachungen
1-6 ISA, Troposphäre, Stratosphäre
1-7 Herleitung von Berechnungsgleichungen für die ISA
1-8 p/p0
1-9 ρ/ρ0, Definitionen δ, σ, ϴ
1-10 Gleichungen für die Stratosphäre
1-11 Geopotentielle Höhe: Definition
1-12 Geopotentielle Höhe: Formel
1-13 Höhenskalen und -bezugswerte (QNH, QFE, FL)
1-14 Anzeigen im Cockpit: Basic-T
1-15 Höhenmessereinstellungen (QNH, QFE)
1-16 Rechnen bei Nicht-ISA-Bedingungen, Δh
1-17 Beispielrechnung (1hPa => 30ft)
1-17a Global Warming due to Aviation – Global Warming due to AIC
1-17b Global Warming due to AIC of Particular Aircraft
1-17c Contrail Climate Effects
1-17d Systematic of Cooling and Warming Contrails
1-17e Contrail Effect Questions and Answers
1-17f Atmosphere Cross Section for a Flight (LFPG-LGAV)
1-17g Pacelab, Flight Profile Optimizer (Pace FPO)
https://pace.txtgroup.com/products/flight-operations/pacelab-flight-profile-optimizer
1-17h Tactical and Strategic Avoidance
1-17i Concept of Operations
1-17j Timeline of Information Flows
1-17k Example of Pre-Trial Flights
1-17l MIT Tool for Trajectory Optimization
1-18 Definition von Geschwindigkeiten (IAS, CAS, EAS, TAS, GS bzw. VI, VC, VE, V, VG)
1-19 Herleitung der Umrechnung V=VE/Wurzel(σ), Faustformel VC => V
1-20 Beispielrechnung mit Faustformel
1-21 Weitere Faustformeln, Temperaturmessung im Flug: T, TI, TT
1-22 Umrechnung TI => T (recovery factor)
2 Definitionen und aerodynamische Grundlagen
2-1 Größenbezeichnungen am Profil
2-2 Größenbezeichnungen am Flügel
2-3 Definition MAC (mittlere aerodynamische Flügeltiefe), Zuspitzung (taper ratio)
2-4 Streckung, Pfeilung, Pfeilwinkel
2-5 V-Form, Verwindung, Flächenbelastung, Schub-Gewichtsverhältnis, Einstellwinkel
2-6 Das Flugmechanische Koordinatensystem, Roll-/Hänge-, Nicklagewinkel, Kurs, Schiebewinkel
2-7 Ruderausschläge
2-8 Aerodynamische Grundlagen (Auftriebsbeiwert, Klappenausschlag)
2-9 Umrechnung in Kräfte, Gleitzahlen
3 Widerstand und Leistung
3-1 Zusammensetzung des Widerstandes
3-2 Widerstandspolare, Oswaldfaktor
3-3 Minimaler Widerstand, maximale Gleitzahl
3-4 Standardwerte für die Berechnung von CL,md und Emax
3-5 Darstellung E=f(CL)
3-6 Herleitung Widerstandsformel D = Av2+Bv-2
3-7 Minimaler Widerstand, dazugehörige Geschwindigkeit
3-8 Leistung im Reiseflug, Propellerwirkungsgrad
3-9 Vergleich der Verkehrsträger hinsichtlich des Vortriebwiderstandes - Einleitung
3-10 Luftschiff und Flugzeug
3-11 Auto, LKW, Bus, Zug: Rad/Boden oder Rad/Schiene
3-12 Vergleich Flugzeug/Auto/Eisenbahn
3-13 Schiff - Grundlagen
3-14 Schiff - Erste Einschätzung
4 Triebwerke
4-1 Nebenstromverhältnis λ
4-2 Schub beim Start/im Reiseflug
4-3 (spezifischer) Kraftstoffverbrauch
4-3a Spezifischer Kraftstoffverbrauch, ct (TSFC)
https://www.fzt.haw-hamburg.de/pers/Scholz/arbeiten/VortragHammami.pdf
4-4 Propellertriebwerke, Erfahrungsformel für Wellenleistung PS
4-5 Darstellung Wellenleistung über Höhe
4-6 Idealisierter Propellerwirkungsgrad ηPi
4-7 Wirklicher Propellerwirkungsgrad, Fortschrittsgrad J
4-8 Gesamt-Propellerwirkungsgrad des Festpropellers
4-9 Diagramm zu 4-8
4-10 Diagramm Propellerwirkungsgrad für variable Pitch Propeller
4-11 Beispiel-Diagramme zu 4-10
4-12 Berechnung des Wirkungsgrades für einen Verstellpropeller, Belastung des Propellers, Kraftstoffverbrauch
4-13 Turboprop Triebwerke, äquivalente Leistung
4-14 Leistungsvariation mit Machzahl und Flughöhe
5 Horizontal-, Steig- und Sinkflug
5-1 Koordinatensystem, Winkel
5-2 Annahmen und Vereinfachungen
5-3 Horizontalflug, minimaler Widerstand/Leistung
5-3a (Herleitung)
5-3b Dazugehörige Beiwerte, Gleitzahlen
5-3c Vergleich Widerstand und Leistung
5-4 Jet: V = f(T)
5-4a Grafik: Jet: T, D, V = f(T)
5-5 Prop: V = f(P)
5-5a Grafik: Prop: T, D, V = f(T)
5-6 Horizontalflug mit Vertikalbeschleunigung: Looping
5-7 Maximal zugelassene Lastvielfache
5-8 Steigflug, 3 Arten
5-9 Bahnneigungswinkel, Steigrate
5-10 Unterschiede zwischen Bahnneigungswinkel und Steigrate in der Praxis
5-11 Max. Bahnneigungswinkel für Jet
5-11a Grafik: Jet: T, D, max. Bahnneigungswinkel
5-12 Max. Steigrate für Jet
5-12a Grafik: Jet: T, D, max. Steiggeschwindigkeit
5-13 Max. Steigrate für Prop
5-13a Grafik: Prop: T, D, max. Steiggeschwindigkeit
5-14 Max. Bahnneigungswinkel für Prop
5-15 Zusammenfassung: Steigflug
5-16 Sinkflug
5-17 Gleitflug
5-18 Sinkrate im Gleitflug
5-19 Geschwindigkeitspolare
5-20 Steigen und Sinken mit Windeinfluss
5-21 Vereinfachte Berechnung der Steigzeit
5-22a Umrechnung von Höhe auf Steiggeschwindigkeit. Vorbereitung zur Integration der Steigzeit.
5-22b Integration und Basisgleichungen: t = f(VV) (1) sowie t = f(h) (2)
5-22c Generische Betracthung: t = f(VV) (1)
5-22c-Plot Plot: t = f(VV) (1)
5-22d Generische Beracthung: t = f(h) (2)
5-22d-Plot Plot: t = f(h) (2)
5-22e Generische Betracthung: VV = f(t) (1-mod)
5-22e-Plot Plot: VV = f(t) (1-mod)
5-22f Generische Beracthung: h = f(t) (2-mod)
5-22f-Plot Plot: h = f(t) (2-mod)
5-22g Eingaben zur Berechnung der Steigzeit: habs und VV0 (1 von 2)
5-22h Eingaben zur Berechnung der Steigzeit: habs und VV0 (2 von 2)
5-23 Gipfelhöhe (verschiedene Beschränkungen)
5-24 Definition von Gipfelhöhen
5-25 Vereinfachte Berechnung der Gipfelhöhe
5-26 Gipfelhöhe des Props am Kolbenmotor
6 Kurvenflug und überzogener Flugzustand
6-1 Drehrate = Kreisfrequenz
6-2 Definition des Lastvielfachen, Lastvielfache im Kurvenflug
6-3 Überzogener Flugzustand im Kurvenflug
6-4 Überziehgeschwindigkeiten-Verhältnisse (n, Dichte, CL,max, Hängewinkel)
6-5 Gleichungen zum Kurvenflug (n, v, r, Ω)
6-6 Aufgelöste Gleichungen
6-7 Wie eng kann eine Kurve geflogen werden? Diagramm r über n
6-8 Anwendung des minimalen Kurvenradius
6-9 Welche maximale Drehrate kann erreicht werden?
6-10 Diagramm Ω über v
6-10a Ωmax und vmax)
6-11 Erforderlicher Schub im Kurvenflug
6-12 Geringster Widerstand/Leistung im Kurvenflug
7 Reichweite und Höchstflugdauer
7-1 Definition
7-2 Berechnung des Kraftstoffmassenstroms, Vergleich Jet/Prop
7-3 Integration zur Berechnung der Reichweite (Jet), Breguet-Faktor
7-4 Breguetsche Reichweitengleichung
7-4a Reichweite und Höchstflugdauer eines Batterie-Flugzeugs
7-4b Electric Flight: Max. Range (1)
7-4c Electric Flight: Max. Range (2)
7-4d e-Genius überquert die Alpen - 365 km mit einer Batteriefüllung
7-4d.pdf
7-4e Perspectives for Future Batteries
7-4f Spezifische Energie in Wh/kg
7-4g Schlußfolgerungen zur Batterietechnologie
7-5 Übersicht Berechnungsarten
7-6 Mögliche Optimierungen (Verbrauch, Kosten)
7-7 Vereinfachte Berechnung der besten Flugbedingungen
7-8 Optimale Geschwindigkeit für die Reichweite des Jet, CL, Gleitzahl
7-8a Optimale Bedingungen für den Jet, (D/V)min: Herleitung von CL,opt, CDi,opt, Eopt, Dopt
7-9 Optimaler Reiseflug (step climb)
7-10 Flugzeugmasse, Nutzlast und Reichweite
7-11 Nutzlast-Reichweiten-Diagramm
7-11a Spezifische Reichweite (SAR)
7-12 Nutzlast-Reichweiten-Diagramm: Eigentlich keine Geraden ...
7-13 Das erweiterte Nutzlast-Reichweiten-Diagramm (Gross Weight Range Diagram)
7-13a Gross Weight Range Diagram (TU Berlin)
7-T.Young Summary and Derivation of Range and Endurance Equations
7-AOE3104 Classical Derivation Based on Aerodynamic Coefficients
8 Start und Landung
8-1 Überschrift
8-2 Berechnung der Startrollstrecke
8-3 Lösungsansätze zur Integration
8-4 Mittlere Geschwindigkeit, Bodeneffekt
8-5 Rollreibung, optimaler Anstellwinkel beim Start, Abschätzgleichung
8-6 Übergangsflugstrecke (screen height)
8-7 Fallunterscheidung
8-8 Sicherheitsstartstrecke
8-9 V1 => balanced field length
8-10 Hinweise aus der Praxis, unbalanced field length
8-11 Vorgeschriebene minimale Steiggradienten
8-12 Geschwindigkeiten beim Start (VMCG, VMCA, V1)
8-13 Geschwindigkeiten beim Start (VR, V2, VMU, VMBE, Vmax,tire, VLOF)
8-14 Übersicht über die Geschwindigkeiten
8-15 Berechnen der Landestrecke
8-16 Abschätzungen
8-17 Gleichung für die Landestrecke
8-18 Sicherheitslandestrecke
9 ---
10 Lasten, V-n-Diagramm, zulässiger Flugbereich
10-1 Definitionen, Limit Load, Ultimate Load
10-2 V-n-Diagramm
10-3 Manöverlastdiagramm, maximale Lastvielfache (CS-25)
10-4 Maximale Lastvielfache CS-23
10-5 Böenlastdiagramm (CS-23)
10-5a Herleitung: Das Lastvielfache durch eine Böe
10-6 Zeichnung des Böenlastdiagramms
10-7 Flugbereichsgrenzen (Flight Envelope)
10-8 Schüttelgrenze (Buffet Onset Boundary)
11 Statische Stabilität der Längsbewegung (Grundlagen)
11-1 Gleichgewichtszustände (stabil, indifferent, instabil)
11-2 Dynamische Stabilität (Betrachtung der Amplitude)
11-3 Beispiele aus dem Flugpraktikum
11-4 Freiheitsgrade
11-5 Koordinatensystem, Anmerkungen
11-6 Vereinfachende Annahmen zur Berechnung der statischen Stabilität
11-7 Kriterien für Gleichgewicht und statische Stabilität, MAC bei Trapezflügeln
11-8 Beispiel statisch (in)stabil bzgl. Längsbewegung (CM,CG über CL)
11-9 Erläuterung zu den Beispielen
11-10 Beispiele indifferentes Verhalten, Austrimmen auf unterschiedliche CL
11-11 Wann ist ein Flugzeug ausgetrimmt?
11-12 Neutralpunkt eines Profils (aerodynamic center)
11-13 Herleitung Formel für CM,CG
11-14 Definitionen: (modifizierter) Leitwerksvolumenbeiwert
11-15 2 Bedingungen für statische Längsstabilität
11-16 Beispiele zur Stabilität (Nurflügler, Drachen)
11-17 Entenflugzeug
11-18 Neutralpunkt des Flugzeugs (neutral point)
11-19 Erläuterung Neutralpunkt, Stabilitätsreserve
12 Statische Stabilität der Längsbewegung bei festem und losem Ruder
12-1 Begriffsbestimmungen
12-2 Anstellwinkel, zero lift line, Anstellwinkel des Höhenleitwerks
12-3 Auftriebsbeiwert des Höhenleitwerks, Scharniermoment
12-4 Scharniermomentenbeiwert
12-5 Festes Ruder / loses Ruder
12-6 Zusammenfassung
12-7 Neutralpunkt und Stabilitätsreserve bei festem/losem Ruder
12-8 Austrimmen des Flugzeugs
12-9 Höhenruderwinkel bei losem Ruder
12-10 Stabilität und Knüppelkraft
13 Statische Längsbewegung in Flugmanövern
13-1 Abfangen
13-2 Unterschiede zum stationären Horizontalflug
13-3 Berechnungen dazu
13-4 Auswirkung der Dämpfung auf die Stabilität
13-5 Herleitung des Manöverpunktes (festes Ruder)
13-6 Manöverpunkt bei festem Ruder
13-7 Manöverpunkt bei losem Ruder
13-8 Änderung der Manöverstabilität mit der Flughöhe
13-9 Knüppelkräfte
13-10 Kurvenflug
13-11 Vergleich Abfangen - Kurvenflug
13-12 Beispielaufgabe
13-13 (Fortsetzung Beispielaufgabe)


STAND:  19. 01. 2024
AUTOR:  Prof. Dr. Scholz
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