Das Flatterverhalten beim Fliegen in großen Höhen
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- Tristan Auttenberg
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1 Das Flatterverhalten beim Fliegen in großen Höhen Jan Schwochow DLR Institut für Aeroelastik Göttingen, den Folie 1 > Wellentreffen 2010 > Jan Schwochow Dokumentname > Datum
2 Überblick 1. Definition der Aeroelastik 2. Was ist Flattern? 3. Nachweis der Flattersicherheit Standschwingungsversuch Flatterrechnung 4. Einfluss der Flughöhe 5. Einfluss von Rudermassen und Restmomente 6. Was ist zu beachten? 7. Zusammenfassung und Empfehlungen Folie 2> Wellentreffen > Jan Schwochow
3 Definition der Aeroelastik Die Aeroelastik untersucht die Wechselwirkung zwischen einem elastischen Körper und seiner Umströmung Flugzustand, Steuerausschläge Geometrie Auslenkungen, Bewegungen Umströmung Elastischer Körper stationäre/ instationäre Luftkräfte Stabilität, Beanspruchungen Folie 3> Wellentreffen > Jan Schwochow
4 Das aeroelastische Kräftedreieck Aerodynamik Aerodynamische Kräfte Statische Aeroelastik Flugmechanik Ruderwirksamkeit Ruderumkehr Auskippen Dyn. Aeroelastik Flattern Schütteln Stabilität Steuerbarkeit Lasten, Böen Strukturmechanik Elastische Kräfte Eigenschwingungen Stoßprobleme Schwingungen Trägheitskräfte Kinetik Folie 4> Wellentreffen > Jan Schwochow
5 Flatterschwingungen DG-300 / 17 m Spannweite Standschwingungsversuch und Flatterrechnung (DLR Institut für Aeroelastik, Göttingen Flugversuche (DLR Flugbereitschaft Braunschweig) Überhöhte Zuladung von Wasserballast (>130 kg) Geschwindigkeitsbereich 140 bis 150 km/h Frequenz ca. 5 Hz Amplitudenbegrenzte Schwingung Kopplung der ersten antisymmetrischen Flügelbiegung mit Querruderbewegung Folie 5> Wellentreffen > Jan Schwochow
6 Zielsetzungen der Flatteranalyse Nachweis der aeroelastischen Stabilität im zugelassenen Flugbereich 1. Suche nach der niedrigsten Flattergeschwindigkeit für die Nominalkonfiguration des Flugzeugs bei gegebenen Flugzustandsparametern, 2. Änderung der Flattergeschwindigkeit, wenn ein Flugzustandsparameter oder Systemparameter variiert wird, 3. Gezielte Suche nach einem Satz von Parametern, um eine vorgegebene Flattergeschwindigkeit nicht zu unterschreiten. Vorschläge für Modifikationen, um die Stabilität des Flugzeugs im Betriebsbereich zu gewährleisten Wellenflüge können bei Flughöhen und Geschwindigkeiten am Rand des als sicher nachgewiesenen Flugbereichs stattfinden. Der Pilot muss mit den Grenzen seines Flugzeugs vertraut sein! Folie 6> Wellentreffen > Jan Schwochow
7 Flattern eines Tragflügelsegments V stabil indifferent instabil Änderung der Frequenz mit steigendem Staudruck Schlagbewegung konstant Anstellwinkeldrehung abfallend Ruderdrehung ansteigend Frequenznachbarschaften können auftreten Anfachende Schwingung bei einer bestimmten kritischen Geschwindigkeit Folie 7> Wellentreffen > Jan Schwochow
8 1. Flatterbewegung ω = 0.52 Folie 8> Wellentreffen > Jan Schwochow
9 2. Flatterbewegung ω = 0.47 Folie 9> Wellentreffen > Jan Schwochow
10 Einfluss von Massenausgleich Massenausgleich vor der Ruderdrehachse: Ruderschwerpunkt wird in die Drehachse verschoben. Einfluss der Massenkopplung zwischen Schlag- und Ruderdrehschwingung wird reduziert. Bei ausreichender Dimensionierung des Ausgleichs tritt keine Instabilität auf. Folie 10> Wellentreffen > Jan Schwochow
11 Einfluss der Luftdichte Größere Flughöhe / geringere Luftdichte verursacht stärkeren Dämpfungseinbruch Schwingungsformen können mit zunehmender Flughöhe instabil werden. Folie 11> Wellentreffen > Jan Schwochow
12 Mögliche Flatterinstabilitäten Flügel-Ruder-Flattern Flügel-Ruder-Hilfsruder-Flattern Flügel-Rumpf-Flattern Folie 12> Wellentreffen > Jan Schwochow
13 Flügel-Ruder-Flattern Symmetrische und antisymmetrische Kopplung von Flügelbiegung, Flügeltorsion mit Querruder oder Klappen Kopplung von Seitenleitwerk und Seitenruder Kopplung von Höhenleitwerk und Höhenruder Vermeidung durch Massenausgleich (statisch oder dynamisch) Kopplung von Torsion und Ruder ist häufig nicht abstellbar Folie 13> Wellentreffen > Jan Schwochow
14 Flügel-Ruder-Hilfsruder-Flattern Hilfsruder bewirkt Ruderdrehung, so dass Luftkraft am Flügel induziert wird. Lagerspiel oder unzureichende Aktuatorsteifigkeit führt zum Flattern, wenn das Hilfsruder nicht massenausgeglichen ist Beispiel: Absturz des VfW 614 Prototypen durch Flattern Folie 14> Wellentreffen > Jan Schwochow
15 Flügel-Rumpf-Flattern Kopplung von Starrkörperdrehung und Flügelbiegung im niedrigen Frequenzbereich. Kann Auftreten, wenn die Gesamtmassenträgheit um die Nickachse und die aerodynamische Dämpfung klein sind, z.b. bei Nurflüglern Folie 15> Wellentreffen > Jan Schwochow
16 Flattermechanik Flattern kann auftreten, wenn mindestens zwei dafür geeignete Freiheitsgrade (Schwingungsformen) zusammenspielen. Mindestens einer der beteiligten Freiheitsgrade muss mit Änderung des Anstellwinkels der schwingenden Fläche oder mit Ausschlägen einer auftriebserzeugenden Klappe beteiligt sein. Es gelten folgende Bedingungen: 1. Kombinationen ohne Beteiligung eines Freiheitsgrades mit Drehanteil sind immer gedämpft. 2. Es können nur symmetrische Fälle oder nur antisymmetrische Fälle kombiniert werden. 3. Es gibt maximale Frequenzen, oberhalb derer Schwingungsformen nicht berücksichtigt werden müssen. 4. Wenn mehr als nur ein Freiheitsgrad zur Kombination mit einem Freiheitsgrades mit Drehanteil in Frage kommt, kann man häufig Freiheitsgrade von geringer Relevanz vernachlässigen. Folie 16> Wellentreffen > Jan Schwochow
17 Analytischer Flatternachweis FE-Modell Modalanalyse FEM analyt. Modaldaten Interpolation aerodyn. Netz aerodyn. Theorie Prototyp Standschwingungsversuch SSV exp. Modaldaten AIC-Matrix gen. Luftkräfte aeroelast. Modell Flatterrechnung mög. externer Input Stabilität? Folie 17> Wellentreffen > Jan Schwochow
18 Standschwingungsversuch am Segelflugzeug Elastische Aufhängung Vorverstärker Vorverstärker Vorverstärker Vorverstärker Sensor Erreger Rechner Datenauswertung Rechner Datenauswertung Rechner Messung Rechner Messung Datenerfassung Datenerfassung Versuchs- Steuerung Versuchs- Steuerung Folie 18> Wellentreffen > Jan Schwochow
19 Aufhängung an Gummiseilen - niedrige Frequenz (<0.8Hz) - bis ca. 800kg Flugzeuggewicht möglich - Aufhängung verursacht negative Flügelbiegung Folie 19> Wellentreffen > Jan Schwochow
20 Elektrodynamische Erregung Saugteller Erreger Sensor Gleittisch Erreger Stößel Folie 20> Wellentreffen > Jan Schwochow
21 Beschleunigungsaufnehmer Folie 21> Wellentreffen > Jan Schwochow
22 Schwingungsformen Ein Segelflugzeug hat ca für das Flattern relevante Schwingungsformen (< 40Hz). einige Beispiele S1 2.34Hz A1 5.03Hz ST 28.6Hz QRU 0.0Hz Folie 22> Wellentreffen > Jan Schwochow
23 Dämpfungs- und Frequenzverlauf über der Fluggeschwindigkeit Verfolgung der Dämpfung und Frequenz jeweils einer Schwingungsform mit ansteigender Fluggeschwindigkeit bei fester Flughöhe damping / %crit. 10 frequency / Hz V D 1.2V D V D 1.2V D U / m/s U / m/s Folie 23> Wellentreffen > Jan Schwochow
24 Intervall-Flatterrechnung Einfluss der Luftdichte Variation der Flughöhe zwischen m mehr Massenausgleich für große Flughöhen erforderlich! Folie 24> Wellentreffen > Jan Schwochow
25 Beachtung der max. Fluggeschwindigkeit in der Höhe (Auszug Flughandbuch Ventus 2a/b) inkompressibel : V V V IAS CAS EAS Max. zugelassene Fluggeschwindigkeit über 3000m nimmt deutlich ab! V EAS ρ = V ρ MSL TAS ρ ρ MSL Ältere Flugzeuge (vor 1980) sind häufig nur bis 3000m Flughöhe erprobt! (Abschätzung nach Stender) Folie 25> Wellentreffen > Jan Schwochow
26 Intervall-Flatterrechnung Toleranz der Rudermassen Änderung der Seitenrudermasse +/-20% z.b. durch Neulackierung Reduktion des Restmoments durch Massenausgleich erforderlich! Folie 26> Wellentreffen > Jan Schwochow
27 Modifikationen der Steuerruder und des Steuerungssystems Beachtung der Angaben über Ruderrestmomente im Betriebs- / Wartungshandbuch insbesondere nach Reparaturen und Änderungen Vorgehensweise bei der Bestimmung beachten Überprüfung von Spiel und Steifigkeit in der Steuerung während des Betriebs, insbesondere nach Auftreten von Beschädigungen der Steuerflächen auf Wasser- bzw. Eisansammlungen, Gewährleistung der Durchlässigkeit von Entwässerungslöchern an der Hinterkante von zusätzlichen Anbauten in den Steuerungssträngen z.b. Steuerknüppelgriff mit viel Multifunktionstechnik Folie 27> Wellentreffen > Jan Schwochow
28 Beachtung der Rudermomente und Massen (Auszug Wartungshandbuch Ventus 2a/b) Folie 28> Wellentreffen > Jan Schwochow
29 Messung des Ruderrestmoments (Auszug Wartungshandbuch Ventus 2a/b) Folie 29> Wellentreffen > Jan Schwochow
30 Kontrolle des Spiels in der Steuerung (Auszug Wartungshandbuch Ventus 2a/b) Folie 30> Wellentreffen > Jan Schwochow
31 Zusammenfassung und Empfehlungen Die Musterzulassung eines Segelflugzeugs erfordert einen aufwendigen experimentellen und rechnerischen Nachweis der Flatterstabilität inklusive Flugerprobung. Segelflugzeuge sind daher flattersicher, wenn 1. sie in den im Flughandbuch angegebenen Betriebsgrenzen für Höhe und Geschwindigkeit betrieben werden, 2. die im Wartungshandbuch angegebenen Toleranzen für Rudermassen, Restmomente und Spiel in der Steuerung eingehalten werden (insbesondere Prüfung nach Reparaturen und Neulackierungen), 3. das Flugzeug nur wie im Flughandbuch vorgesehen beladen / betankt wird. Der Wellenflug-ambitionierte Pilot sollte die Grenzen seines Flugzeugs kennen. Gegebenenfalls sollte er den Zustand seines Flugzeugs nachprüfen (Winterwartung). Folie 31> Wellentreffen > Jan Schwochow
32 ASG29 Fahrtmesserschild für Flüge in großer Höhe (Auszug Flughandbuch) Folie 32> Wellentreffen > Jan Schwochow
33 Wellenaufwind 8500m über dem Riesengebirge K. Vladar Viel Spaß beim Aufspüren der Wellenaufwinde! Folie 33> Wellentreffen > Jan Schwochow
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