Studium + Flugzeugkonfigurationen

Transkript

1 Studium + Flugzeugkonfigurationen

2 Warum fliegen Flugzeuge??? Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 2

3 Grundprobleme Auftriebserzeugung Vortriebserzeugung Steuerung Stabilisierung Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 3

4 aerostatische Luftkräfte Auftrieb A A V g Atmosphere:, p p p < Gasdichten : Wasserstoff: = 0,0899 kg/m 3 (273,15 K, 1013,25 hpa) Gewicht G = m*g Helium: = 0,1786 kg/m 3 (273,15 K, 1013,25 hpa) Luft (ISA): = 1,225 kg/m 3 (288,15 K, 1013,25 hpa) Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 4

5 Statischer Auftrieb Freiballon: Blimp (unstarr): Fesselballon: Halbstarrluftschiff: Starrluftschiff: Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 5

6 aerodynamische Luftkräfte allgemein M A F A Idee: Finde eine Bauformen, die genügend Auftrieb bei geringem Widerstand produziert ( Flügel ) ausreichend Platz für Fracht und Passagire bei geringem Widerstand bieten ( Rumpf ) Luftkräfte am Flugzeug Widerstand W=F x Auftrieb A=F z G F y F A Flugmechanisches KOS: x a x: Anströmrichtung z: in der Symmetrieebene des Lfz Für Momente analog! y a z a Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 6

7 Lilienthals Experimente Dünnes Flügelprofil eines Storchs Otto Lilienthal Rundlaufapparat verwendete Flächen Messung des Widerstandes W Messung des Auftriebs A Wölbung: 0 1/12 Fläche S: 0,1 0,5 m² Material: bespannte Holzrahmen Pappe Pressspan Messingblech Geschwindigkeit: 1-12 m/s Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 7

8 Lilienthals Experimente Resultate für unterschiedliche Flächen Auftrieb Anstellwinkel Anströmrichtung A W F A W A F ~ mit q q S v F A A Widerstand Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 8

9 aerodynamische Luftkräfte p p Null-Widerstand Induzierter Widerstand n v, s p p A W i W 0 F A W W W 0 i projizierte Fläche S Auftriebs- u. Widerstandsgleichung A C A q S W C q S mit q W v 2 2 w G Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 9

10 Nullwiderstandsbeiwert C W0 Form- & Interferenzwiderstand Wellenwiderstand [n. Raymer, S. 297] Reibwiderstand Ma * 1,0 Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 10 Ma SVK Ma

11 ASH25 vs. Mirage2000 A C A q S W C q S mit q W v 2 2 ASH25: S: 16 m² m: 750 kg v: 280 km/h C A :? Mirage 2000: S: 40 m² m: kg 2 1, q v 3705 Pa 2 2 3,6 ASH25 : m g 750 9,81 CA 0,12 S q Mirage2000 : m g ,81 CA 0,99 S q Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 11

12 Flächenbelastung 3 G ges ~ V ~ l S ~ l 2 Steinadler G ges S ~l ~ 3 G ges Möve Taube Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 12

13 Flächenbelastung 1,E+03 1,E+02 G ges S ~ 3 G ges Kampfflugzeuge Sportflugzeuge Transportflugzeuge A380 Tu-244 An-2 Flächenbelastung [kg/m 2 ] 1,E+01 Falter Kolibri Höckerschwan Ultraleicht Solarflugzeug Paragleiter Leichtflugzeuge 1,E+00 Pteranodon Muskelkraftflugzeug Stechmücke Insekten Vögel Flugzeuge 1,E-01 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06 m [kg] Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 13

14 Fluggeschwindigkeit 1,E+03 1,E+02 v 6 ~ G Flugzeuge: H v Flugzeuge: 2 h????v 2? Ma=1 v [m/s] 1,E+01 Paragleiter Pteranodon Muskelkraftflugzeug Vögel Flugzeuge 1,E+00 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06 m [kg] Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 14

15 Wurzelkubikgesetz v 2 const. G ges const. S. G ges ~ S 3 G Fl ~ V ~ l S ~ l G Fl ~ S 3 G ~ 2 Fl G ges A380 m=580 to S=846 m 2 Theorie: G ~ 3 Fl G ges A m=77 to S=123 m 2 G Fl 0,4 ~G ges ges G Praxis: 1,4 G Fl ~G ges Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 15

16 Welche Arten von Flugzeugen kennen wir??? Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 16

17 Sportflugzeuge (zivil) Extra 300 Cessna 172 Diamond DA 40 Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 17

18 Verkehrsflugzeuge (zivil) A-320 Learjet A-340 Tu-144 Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 18

19 Luftüberlegenheit / Abfangjagd (militärisch) F-15 Eagle F-104 Starfighter Mirage 2000 C Mig 25 Foxbat Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 19

20 Erdkampf / Gefechtsfeldabriegelung (militärisch) Tornado IDS A-10 Thunderbolt II Mil Mi 24 Hind A-7 Corsair II Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 20

21 Strategischer Angriff (miltärisch) B-52 Stratofortress B-2 Spirit B-58 Hustler Tu 160 Blackjack Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 21

22 Was sind die konfigurativen Merkmale von Flugzeugen??? Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 22

23 Gliederung Luftfahrzeug Struktur Antrieb Systeme Quelle: Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 23

24 Gliederung Luftfahrzeug Struktur Antrieb Systeme Rumpf Tragwerk Leitwerk Steuerwerk Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 24

25 Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 25 Struktur - Rumpf

26 Struktur Rumpf Bauweisen Gerüstbauweise Spant Holme Schalenbauweise Halbschalenbauweise Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 26

27 Funktionen des Rumpfes Struktur Rumpf Formgebung Bereitstellung von Ladevolumen und Schutz für Nutzlast Schutz von Nutzlast und Passagieren vor klimatischen Einflüssen Zentrale Baugruppe zur Integration anderer Gruppen (TW, Flügel, ) Belastungen: Innendruck Höhen- und Seitenleitwerkskräfte Kräfte am Flügel Antriebskräfte Fahrwerkskräfte Kräfte im Crashfall Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 27

28 Struktur Rumpf Formgebung Generell Ziel ist eine aerodynamisch günstige Form zu finden mit minimaler Gesamtoberfläche unter Berücksichtigung des benötigten Rumpfvolumens Sowohl Widerstand als auch Gesamtmasse sind stark abhängig von der Gesamtoberfläche Scharfe Übergänge und Ausbuchtungen sollten vermieden werden Generelle Unterschiede bei Unter- und Überschallluftfahrzeugen Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 28

29 Unterschall-(Transport)-Flugzeuge Struktur Rumpf Formgebung Design wird bestimmt durch konstante (Kreis, Rechteck)- Rumpfquerschnitte Aerodynamisch nicht optimal, aber verträglich Geringe Fertigungskosten Vergrößerung des Rumpfes durch einfaches Einfügen ( Stretching ) Vorteile bei der Ausnutzung des Rumpfvolumens Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 29

30 Schallnahe und Überschall-Flugzeuge Struktur Rumpf Formgebung Berücksichtigung der Area Rule Verminderung des Wellenwiederstandes Erhöhung der krit. Machzahl Ziel ist es, Variationen der Gesamtquerschnittfläche zu minimieren Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 30

31 Struktur Rumpf Druckrumpf Man unterscheidet keinen Druckrumpf bei tieffliegenden Lfz. (allg. Luftfahrt) unbemannte Luftfahrzeuge Rumpf mit geringer Druckdifferenz häufig bei militärischen Luftfahrzeugen Differenzdruck bis 270 hpa Besatzungen tragen u. U. Druckanzüge (Bsp.: U-2, SR-71) Rumpf mit normaler (großer) Druckdifferenz Die Regel bei turbinen-getriebenen Transport-/ Passagier-Luftfahrzeugen Kabinenhöhe nie größer als 8000 ft (2,44 km) Differenzdrücke von 580 hpa in 43,000 ft (13.1 km). dimensionierende Anforderung zur Festigkeitsauslegung des Rumpfes. kreisförmige Rumpfquerschnitte Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 31

32 Struktur Rumpf Bestuhlung Max. 6 Sitze von einem Gang bedienbar Verschiedene Anordnung möglich Regel: Pax soll nie mehr als 2 Sitze vom Gang entfernt sein Typischer Sitzabstand (Seat Pitch): First: 1 m andere: 0,7 m (unbequem, Kurzstrecke) Typische Gangbreite (Aisle Widths): First: 0,6 m andere: 0,4 0,5 m Typische Sitzbreite (Seat Width): Charter: 0,400 0,420 m Economy: 0,475 0,525 m Business: 0,575 0,625 m First: 0,625 0,700 m Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 32

33 Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 33 Struktur Tragwerk

34 Aufgaben des Tragwerks ( Flügel ) Struktur Tragwerk Auftriebserzeugung Steuerung Stabilität Stauvolumen Kraftaufnahme/ -übertragung Ausgleich der Gewichtskraft Erzeugen von Rollmomenten zur Richtungsänderung durch Querruder Aerodynamische Dämpfung zur Rollund Gierstabilität Unterbringung von Kraftstoff (und Fahrwerk) Anbringung von Außenlasten, Fahrwerk und ggf. Triebwerken Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 34

35 Struktur Tragwerk Geometrie Tragwerksformen Rechteck Ellipse s S l ( y ) dy s Hybrid Trapez Delta Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 35

36 Struktur Tragwerk Geometrie Streckung Zuspitzung Pfeilung 0 25 S l l a l i b=2s b 2 b 2 S l l a i Eta b: 31 m : 51 XF-91 >1 (ungewöhnlich!) Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 36

37 Anstieg von C W0 in der Transsonik Transsonischer Wellenwiderstand Ma=0,6 =15 0 C W0 Flügelpfeilung Ma 1,0 2,0 3,0 [n. Nicolai,2-19] Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 37

38 Struktur Tragwerk Geometrie Tragwerksanordnung Hochdecker Schulterdecker Mitteldecker Tiefdecker Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 38

39 Struktur Leitwerk Flosse Dorsal Fin Ruder y z x Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 39

40 Struktur Leitwerk Geometrie Leitwerksanordnung konventionell T-Leitwerk A380 Avro 146-RJ Kreuzleitwerk V-Leitwerk MIG-17 H101 Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 40

41 Entenleitwerk Canard Eurofighter Struktur Leitwerk Geometrie Mehrfach-Seitenleitwerk F-14 Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 41

42 Struktur Steuerwerk Querruder Seitenruder Höhenruder Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 42

43 Struktur Steuerwerk primäre Flugsteuerung Im Schnittpunkt der drei Bewegungsachsen liegt der Schwerpunkt Hochachse (Gieren) F-15 Klappenruder Pendelruder Seitenruder Höhenruder Längsachse (Rollen) Querruder Querachse (Nicken) Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 43

44 Struktur Steuerwerk Sekundäre Flugsteuerung 1 Winglet 2 low-speed Querruder 3 high-speed Querruder 4 flaptrack Verkleidung 5 Krügerklappe 6 Vorflügel 7 innere Landeklappen 8 äußere Landeklappen 9 Spoiler 10 Luftbremse Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 44

45 Gliederung Luftfahrzeug Struktur Antrieb Systeme Kerntriebwerk Schmierstoffanlage Anlassanlage Triebwerksteuerung ggf. Getriebe ggf. Propeller Hilfsantrieb Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 45

46 Antrieb Antriebsarten Luftfahrtantriebe Luftstrahlantriebe Luftschraubenantriebe Raketenantriebe Strahlrohre Turbostrahltriebwerke (TL) Turbowellentriebwerke Staustrahl-TW "(Sc)ramjet" Einstrom~ ETL "Turbojet" Propeller-TL PTL Vortriebserzeugung "Turboprop" Funktionsprinzipien Pulstrahl-TW "Pulsejet" Zweistrom~ ZTL "Turbofan" Wellenleistungs-TW Ausführungsarten "Turboshaft" Kolbenmotoren Elektromotoren Muskelkraft Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 46

47 Antrieb im Flügel Gondel am Heck Comet B727 Gondel unter Flügel im Rumpfheck A380 F-104 Gondel über Flügel im Rumpfbug VFW 614 C-172 Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 47

48 Gliederung Luftfahrzeug Struktur Antrieb Ausrüstung Flugsteuerung Grundsysteme Zusatzsysteme Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 48

49 Gliederung Grundsysteme Pneumatik Elektrik Hydraulik Kraftstoff Klima Kühlung, Druck, elektrische Energie hydraulische Energie Lagerung und Bereitstellung Lebenserhaltung z.b. Sauerstoff Vereisungsschutz Rettung z.b. Schleudersitz Fahrwerk / Bremse Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 49

50 Fahrwerk Aufgaben des Fahrwerks Stellt die Beweglichkeit des Luftfahrzeuges am Boden sicher Ermöglicht das Erreichen der Abhebegeschwindigkeit beim Start Unterstützt das Abbremsen bei der Landung Federt Bodenunebenheiten und Landestöße ab Bestandteile des Fahrwerks Fahrwerksbeine - Verstrebungen - Federn / Dämpfer Räder - Reifen - Felgen - Bremsen Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 50

51 Fahrwerk Spornradfahrwerke SP Vorteile: leicht, kostengünstig einfache Anbringung des HFw am Flügel Dreipunktlandung bei hohem Anstellwinkel möglich optimale Belastung der Haupträder beim Bremsen Nachteile: Bremskraft und Seitenkraft wirken vor SP (destabilisierend!) Gefahr des Umkippens nach vorn Gefahr des Springens durch Erhöhung des Anstellwinkels bei Zweipunktlandung Rumpfschräglage schlechte Sicht des Piloten beim Rollen hoher Widerstand zu Beginn des Starts Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 51

52 Fahrwerk Tandemfahrwerke SP Vorteile: strukturell günstige Anordnung bei Senkrechtstartern HFw nicht im Abgasstrahl Nachteile: mögliche Instabilität beim Rollen durch Stützräder Einhaltung genauer Landelagen erforderlich, da sonst ein Rad zu stark belastet wird Rotation beim Start schwierig Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 52

53 Fahrwerk Bugradfahrwerke SP Vorteile: Hauptfahrwerkskräfte greifen hinter SP an (stabilisierend) horizontaler Rumpf gute Sicht des Piloten Beladbarkeit, Passagierkomfort rel. geringer Widerstand zu Startbeginn Nachteile: hohe Last auf dem BFw BFw-Gewicht rel. hoch Studium + Ringvorlesung Luft - Flugzeugkonfigurationen 53