Untersuchung des Windenstarts von Segelflugzeugen mit Hilfe einer Sechs-FreiheitsgradeSimulation

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1 Untersuchung des Windenstarts von Segelflugzeugen mit Hilfe einer Sechs-FreiheitsgradeSimulation C. Santel, A. Gäb, J. Nowack communicated by Prof. Dr.-Ing. W. Alles 1

2 Gliederung Aufbau der Simulation Untersuchungen Referenzfall Kunststoff- vs. Stahlseil Änderung der Kupplungsposition Erhöhung der Seilkraft Einfluss diverser Seilmodelle Sicherheit im Kavalierstart Fazit 2

3 Aufbau der Simulation Segelflugzeug Pilot Winde Windenfahrer Seil Quelle: Apel, Segelflug Praxis Gesamtmodell in MATLAB/Simulink 3

4 Aufbau der Simulation Segelflugzeug 6DoF Starrkörper-Modell Nichtlinearer Datensatz einer ASK 21 Repräsentatives Muster, da weit verbreitet Flugversuchsdaten, aus vorherigem Projekt Pilot PID-Sollfahrt-Regler und Nickdämpfer Aktivierung ab Erreichen der Sicherheitshöhe 4

5 Aufbau der Simulation Winde Antriebsstrang-Modell aus der Kfz-Technik Dynamischer Einfluss von Wellen, Seiltrommeln, Getriebe, Motor,... Ermittlung der Wellenbeschleunigung mittels Energiebilanz der Gesamtsimulation Motor: GM Duromax Diesel (270 kw) Windenfahrer PID-Sollkraftregler Abhängig von Simulationszeit und Position des Segelflugzeugs 5

6 Aufbau der Simulation Seilmodell FEM-Modell Seil diskretisiert in n Punktmassen und n masselose Zylinder Berücksichtung folgender Kräfte: Interne Kräfte Luftwiderstand Gewichtskraft 6

7 Referenzfall 1000m Schleppstrecke mit Kunststoffseil Ausklinkhöhe: 439m Seildurchhang gut erkennbar Flugbahn 7

8 Referenzfall Zu pessimistisch aufgrund mangelnder Boden- und Bodeneffektmodelle Flug- & Überziehgeschwindigkeit, Anstellwinkel 8

9 Referenzfall Windenkraft Anfangs stetige Steigerung der Windenkraft durch Windenfahrer Kurz vor Erreichen des Soll-Maximums wird die Kraft langsam reduziert. Entlastung des Fliegers im oberen Schleppabschnitt 9

10 Kunststoff- vs. Stahlseil Ausklinkhöhengewinn durch Kunststoffseil: 9m Keine Sicherheitsbedenken Flugbahn 10

11 Änderung der Kupplungsposition Kein nennenswerter Höhengewinn Geändertes Verhalten der Bahnschwingung Flugbahn 11

12 Änderung der Kupplungsposition Nickwinkel Nach hinten verlagerte Kupplung erzeugt höhere Nickwinkel im Anfangssteigflug Jedoch geringerer Maximalnickwinkel Geringere Anregung der Phygoide Reduktion der Arbeitsbelastung für den Piloten 12

13 Änderung der Kupplungsposition Fall: Kupplung 10cm nach hinten verlagert Marginale Änderung der Sicherheit im Vgl. zum Referenzfall Flug- & Überziehgeschwindigkeit, Anstellwinkel 13

14 Erhöhung der Seilkraft Max. Windenkraft begrenzt durch max. Drehmoment des Motors Ausklinkhöhengewinn bis zu 63m möglich Flugbahn 14

15 Erhöhung der Seilkraft Höhenruder-Ausschlag Begrenzte Steuerwirksamkeit bei höheren Schleppkräften Mögliche Überschreitung der maximal zulässigen Schleppgeschwindigkeit Große Seilkraft-Komponente entgegen der Auftriebsrichtung Möglicher unbemerkter Anstieg des Lastvielfachen, ohne durch Piloten spürbare Beschleunigung 15

16 Erhöhung der Seilkraft Fall: 13kN Flug- & Überziehgeschwindigkeit, Anstellwinkel 16

17 Einfluss diverser Seilmodelle Selektives Ausschalten der Gewichtskraft und des Luftwiderstands am FEM-Seil Interne Kräfte, Luftwiderstand, Gewichtskraft Interne Kräfte, Luftwiderstand Interne Kräfte, Gewichtskraft Interne Kräfte Sekantenmodell Grenzfall eines masselosen Seilmodells ohne Luftwiderstand und Gewichtskraft 17

18 Einfluss diverser Seilmodelle Zwei getrennte Kurvenschaaren Geänderter Einfluss: SeilLuftwiderstand Sekantenmodell und FEM-Modell ohne externe Kräfte haben quasiidentische Flugbahnen Flugbahn 18

19 Sicherheit im Kavalierstart Ausklinkhöhengewinn durch Kavalierstart: 22m Große Steigwinkel und Nickgeschwindigkeiten in Bodennähe Gefahrenbereich Flugbahn 19

20 Sicherheit im Kavalierstart Flugzustand mit Strömungsabriss, Höchste Gefahr bei Seilriss Flug- & Überziehgeschwindigkeit, Anstellwinkel 20

21 Weitere Analysen Nicht gezeigt wurden Untersuchungen zum Einfluss der Schleppstrecken-Länge von Rücken- und Gegenwind von Horizontal- und Vertikalböen des Windenfahrer-Verhaltens des Seil-Luftwiderstandbeiwerts 21

22 Fazit Umfassende Modellierung des Windenstarts, bestehend aus: Segelflugzeug Pilot Winde Windenfahrer Seil Hohe Auflösung des Startvorgangs möglich Simulation derzeit mit 100Hz Lässt sich nahezu beliebig erhöhen 22

23 Fazit Zwei Haupteinflüsse für AusklinkhöhenSteigerung ermittelt: Erhöhung der Schleppkraft Veringerung des Seilwiderstandes Sicherheit gegenüber Strömungsabriss bei umsichtigem Start gewährt Kavalierstart jedoch sehr kritisch 23

24 Fazit Analyse- und Optimierungsmöglichkeiten: Fluggerät Kupplungsposition, Flugeigenschaften,... Winde Antriebstrang, Motor,... Seil Sollbruchstelle, Durchmesser, Menschliches (Fehl-)verhalten von Pilot und Windenfahrer Meteorologische Einflüsse 24

25 Ausblick Derzeit Erweiterung der Simulation um: Pilot-in-the-Loop durch Anschluss an bestehenden Forschungssimulator Boden- und Bodeneffektmodelle für Seil und Flugzeug Seitenwindeinfluss, Pilotenmodell für Seitenbewegung Validierung der Simulation möglich: Flugversuche mit vorhandenem, sensorbestücktem 1:3-Modell einer ASK 21 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. JM-Fotoservice 26

27 Gesamtsimulation Blockschaltbild 27

28 Segelflugzeug Blockschaltbild 28

29 Pilot Blockschaltbild 29

30 Winde Blockschaltbild 30

31 Winde Motorkennlinien 31

32 Windenfahrer Blockschaltbild 32

33 Seil Blockschaltbild 33

34 Referenzfall Zeit-Flughöhe-Diagramm 34

35 Schleppstrecken-Länge Flugbahn 35

36 Windeinfluss Flugbahn 36

37 Böeneinfluss Seilkraft an Sollbruchstelle 37

38 Böeneinfluss Nickwinkel 38

39 Windenfahrer-Verhalten Flugbahn 39

40 Windenfahrer-Verhalten Nickwinkel 40

41 Windenfahrer-Verhalten Fall: 600N/s Flug- & Überziehgeschwindigkeit, Anstellwinkel 41

42 Luftwiderstandsbeiwert des Seils Flugbahn 42