Grundlagen des Fluges

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1 Grundlagen des Fluges 081 Principles of Flight Ein Lehrbuch für Piloten nach europäischen Richtlinien

2 1. Auflage Januar 2012 Draft Version Copyright 2011 bei K.L.S. Publishing, Köln Alle Rechte vorbehalten Vervielfältigungen jeglicher Art z. B. in Form konventioneller Kopiertechnik oder auch mit Mitteln der elektronischen Datenverarbeitung auch in Auszügen nur mit schriftlicher Genehmigung des Verlags Herstellung: Verschiedene Druckereien im Auftrag des Verlags Dieses Buch wurde im Digitaldruckverfahren hergestellt. Verlag: K.L.S. Publishing, Köln Umschlaggestaltung, Satz und Layout: K.L.S. Publishing, Köln Text: Neue deutsche Rechtschreibung Mit 247 Abbildungen (Grafiken und Fotos) und 8 Tabellen ISBN-13: (Schwarz-Weiß-Druck) ISBN-13: (Farbdruck) ISBN-13: (e-book) Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet unter abrufbar.

3 INHALTSVERZEICHNIS VORWORT DES VERLAGS GRUNDLAGEN DES FLUGES Aerodynamik im Unterschallbereich Grundlagen Physikalische Grundgrößen und Gesetze Masse, Kraft, Newtonsche Gesetze Temperatur, Luftdichte, Druck, Bernoullisches Gesetz Fluggeschwindigkeit (IAS, CAS, TAS, Mach number) Arbeit, Leistung, Flächenbelastung Strömungen und Strömungsfelder Aerodynamische Kräfte und Momente bei Tragflügelprofilen Parameter der Tragflügelprofile Parameter der Tragflügel und Tragflügelformen Zweidimensionale Strömung um einen Tragflügel Zweidimensionales Strömungsmuster Staupunkt Druckverteilung Druckpunkt und aerodynamisches Zentrum Auftrieb und induzierter Abwind (Downwash) Widerstand und Wirbelschleppe (Wake) Einfluss des Anstellwinkels Strömungsabriss bei hohem Anstellwinkel Die Auftriebskurve Koeffizienten Auftrieb und Auftriebskoeffizient CL Widerstand und Widerstandskoeffizient CD Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand Polardiagramm Dreidimensionale Strömung um Tragflügel und Flugzeug Dreidimensionales Strömungsmuster Strömung am Tragflügel Downwash Induzierter Widerstand Strömung am Flugzeug, Wirbelschleppen... 72

4 Aerodynamischer Widerstand Komponenten des aerodynamischen Widerstands Parasitärer Widerstand Parasitärer Widerstand und Auftriebsbeiwert Induzierter Widerstand und Auftriebsbeiwert Intentionally left blank Gesamtwiderstand und Auftriebsbeiwert Gesamtwiderstand und Geschwindigkeit Intentionally left blank Parabolische Widerstandspolare Abhängigkeit von Masse/Gewicht Abhängigkeit von der Luftdichte Stabilitätsbereiche der Geschwindigkeit Bodeneffekt Reduktion des induzierten Widerstandes Reduktion des Anstellwinkels Erhöhung des Auftriebs Auswirkungen des Bodeneffekts bei Start und Landung Auftriebsbeiwert und Geschwindigkeit im Horizontalflug CL-V-Gleichung CL-V-Kurve Der Strömungsabriss ( Stall ) Übergang zur Turbulenz bei hohem Anstellwinkel Laminare und turbulente Grenzschicht Turbulenz bei hohem Anstellwinkel Stallgeschwindigkeit Stall - Speeds (CS ) Stall im beschleunigten Flugzustand Das V-n Diagramm Ausbreitung des Turbulenzbereichs auf dem Tragflügel Konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung der Stalleigenschaften Stallwarnung Besondere Phänomene beim Stall Veränderte Stalleigenschaften durch Kontanimation des Tragflügels Auftriebshilfen, Vortex Generatoren Auftriebshilfen an der Tragflügelhinterkante (Trailing edge flaps) Auftriebshilfen an der Tragflügelvorderkante (Leading edge devices) Vortex-Generatoren (Low-Speed) Spoiler und Speedbrakes

5 Einsatz von Spoilern in verschiedenen Flugphasen Die Wirkung von Speedbrakes Die Grenzschicht (boundary layer) Verschiedene Typen der Grenzschicht Vor- und Nachteile bei Form- und Reibungswiderstand Aerodynamische Verschlechterung Eis und sonstige Kontamination Deformation und Modifikation, Flugzeugalterung Aerodynamik im High-Speed-Bereich Geschwindigkeiten im High-Speed-Bereich Schallgeschwindigkeit Machzahl Einfluss von Temperatur und Altitude auf die Machzahl Kompressibilität der Luft Unterbereiche der Strömungsaerodynamik Stoßwellen Senkrechter Verdichtungsstoß Schräger Verdichtungsstoß (Oblique shock waves) Machkegel Effekte bei Überschreiten der kritischen Machzahl Kritische Machzahl Auftrieb bei hoher Machzahl Widerstand bei hoher Machzahl Nickmoment bei hoher Machzahl Steuerbarkeit bei hoher Machzahl Buffet Grenze Maßnahmen zur Vergrößerung des superkritischen Bereichs Pfeilung des Tragflügels Dünne und superkritische Profile Vortex-Generatoren (High-Speed) Flächenregel Lockheed SR-71 (Exkurs) New York -London in 1:55, London-Los Angeles in 3: Die Entwicklung der SR Herausforderungen Pratt&Whitney J Arbeitsplätze der Crew Handbuch

6 Einsatz der SR Weltrekorde der SR Verwandte Typen Flugstabilität Statische und dynamische Stabilität Grundlagen und Definitionen Voraussetzung für statische Stabilität Summe der Kräfte Summe der Momente Intentionally left blank Statische und dynamische Längsstabilität Methoden zur Erreichung des Gleichgewichts Variation des Gleichgewichts Kriterium für statische Längsstabilität Neutralpunkt des Flugzeugs Neutralpunkt: beeinflussende Faktoren Schwerpunktlage für Stabilität Die CM α Kurve Faktoren, welche die CM α Kurve beeinflussen Höhenruderausschlag versus Geschwindigkeit bzw. Auftrieb Höhenruder: Positionsstabilität Höhenrudersteuerkraft: Konstruktionsvorschriften Höhenrudersteuerkraft: beeinflussende Faktoren Manöverstabilität und Steuerkraft beim Lastvielfachen Intentionally left blank Faktoren der Manöverstabilität Konstruktionsvorschriften Dynamische Längsstabilität Statische Richtungsstabilität Schiebewinkel Koeffizient des Giermoments Giermoment-Schiebewinkel-Kurve Die Richtungsstabilität beeinflussende Faktoren Statische Rollstabilität Neigungswinkel Koeffizient des Rollmoments Kopplung von Roll- und Schiebemoment Rollmoment-Schiebewinkel-Kurve

7 Die Rollstabilität beeinflussende Faktoren Intentionally left blank Dynamische Richtungs- und Rollstabilität Effekte asymmetrischer Propellerluftströmung (s ) Spiralsturz Dutch Roll Einfluss der Altitude auf die dynamische Stabilität Flugsteuerung Grundlegende Definitionen Bezugssysteme und Achsen Steuerruder: Änderung der Wölbung Steuerruder: Änderung des Anstellwinkels Höhenrudersteuerung (Pitch control) Höhenruder/ Stabilator Effekte am Leitwerk durch den Downwash Vereisung des Höhenleitwerks Schwerpunktlage Momente durch Triebwerkschub Seitenrudersteuerung (Yaw control) Ausschlagbegrenzung beim Seitenruder Querrudersteuerung (Roll control) Querruder Intentionally left blank Spoiler Negatives Wendemoment Maßnahmen zur Kompensation des negativen Wendemoments Interaktion von Rollen und Gieren Maßnahmen zur Reduzierung der Steuerkräfte Aerodynamischer Ruderausgleich Hydraulische Ruderkraftverstärkung Rudermassenausgleich Trimmung Notwendigkeit einer Trimmung Trim Tabs Stabilizer Trim Besondere Trimmsituationen Grenzwerte

8 Betriebsgrenzwerte eines Flugzeuges Aeroelastizität, Ruderflattern Aeroelastische Ruderumkehr Grenzwerte beim Betrieb von Klappen und Fahrwerk Geschwindigkeitsgrenzwerte VMO, VNO, VNE Geschwindigkeitsgrenzwert MMO Manöverlast-Grenzbereich Manöverlast-Diagramm (V-n-Diagramm) Einflussfaktoren beim Manöverlast-Diagramm Böenlast-Grenzbereich Böenlast-Diagramm Einflussfaktoren beim Böenlast-Diagramm Propeller Umwandlung von Drehmoment in Schubkraft Relevante Propellergrößen Die Propellersteigung Profilwölbung und Profildicke Strömungsverhältnisse am Profilschnitt Die Rückstoßtheorie (Strahltheorie)** Die Tragflächentheorie (Historie)** Blattverwindung des Propellers Propellerwirkungsgradkurve, Geschwindigkeit und Schub Festpropeller, Verstellpropeller, Constant-Speed-Propeller Ungeregelter Verstellpropeller Constant-Speed (CS) Propeller Geschwindigkeitsgeregelter Propeller** Vorteile beim Verstellpropeller/Constant-Speed-Propeller Propellervereisung Ausfall eines Triebwerks Aerodynamischer Widerstand bei Windmilling Feathering Hydraulische Blattverstellung** Einfach-hydraulische Blattverstellung** Blattverstellung mit Feathering Feathering, Un-Feathering, Auto-Feathering Low-Pitch-Stopvorrichtung** Flugleistung und Steuerbarkeit eines gefeatherten Flugzeugs Entwicklungsparameter

9 Streckungsverhältnis der Propellerblätter Propellerdurchmesser Blattanzahl eines Propellers Die Blattrücklage (Skew)** Propellerlärm Sekundäreffekte des Propellers Torque-Effekt Gyroskopische Präzession Asymmetrischer Slipstream-Effekt Asymmetrischer Schubeffekt der Propellerblätter Flugmechanik Einwirkende Kräfte am Flugzeug Unbeschleunigter Horizontalflug Unbeschleunigter Steigflug Steiggradient, Steigwinkel, Windeinfluss Unbeschleunigter Sinkflug Sinkgradient, Sinkwinkel, Windeinfluss Gleitflug Koordinierter Kurvenflug Asymmetrischer Schub Momente um die Hochachse Intentionally left blank Kräfte in Richtung der Querachse Einfluss der Flugzeugmasse Intentionally left blank Sekundäreffekte des Propellers Minimum control speeds VMC, VMCA VMCL VMCG a Einfluss der Schwerpunktlage Einfluss von Altitude und Temperatur Besondere Punkte auf der Polarkurve Musterprüfungsfragen PRINCIPLES OF FLIGHT (AEROPLANE) (SYLLABUS)

10 ANHANG Auszug CS23 Controllability, Stability Auszug CS25 Controllability, Stability Informative Internet-Links Literaturverzeichnis Autor dieses Buches Bildnachweis Übersicht zur Lehrbuchreihe nach JAR-FCL