Simulation des Windenstarts Seitenbewegung und Bodenmodell. Andreas Gäb, Jan Nowack, Wolfgang Alles

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1 Simulation des Windenstarts Seitenbewegung und Bodenmodell Andreas Gäb, Jan Nowack, Wolfgang Alles

2 Inhalt Beschreibung der Simulationsumgebung Erweiterungen Pilotenmodell für die Seitenbewegung Boden, Bodeneffekt Untersuchungen Anrollvorgang Reglereinfluss Seitenwind/Schiebewinkel Zusammenfassung/Ausblick Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 2

3 Simulationsumgebung Gesamtmodell in Matlab/Simulink Teilmodelle für Flugzeug, Pilot, Seil, Winde, Windenfahrer, Atmosphäre, Boden Weitgehend generisch: einfache Anpassung an unterschiedliche Flugzeuge, Winden, Seile Komfortable graphische Oberfläche und Auswertungssoftware Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 3

4 Erweiterungen: Pilotenmodell für Seitenbewegung Regler für Quer- und Seitenruder erforderlich Beachtung von human factors entsprechend dem bestehenden Modell Reaktionszeit (Totzeit) Neuromuskuläre Verzögerung (PT 1 ) Einblendung nach Erreichen einer Sicherheitshöhe analog zum bestehenden Regler der LB Anpassung an unterschiedliche Geschwindigkeiten Möglichst geringe Komplexität, möglichst grundlegende Regelungselemente Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 4

5 Erweiterungen: Pilotenmodell für Querruder Ziel: Soll-Kurs über Grund halten Dazu erforderlich: Regelung des Hängewinkels Realisierung: PID-Regler zur Vorgabe eines Soll-Hängewinkels aus dem Soll-Kurs P-Regler zum Einnehmen und Halten des Soll-Hängewinkels mit dem Querruder Zusätzlich Rolldämpfer zur Unterdrückung von Schwingungen Staudruckanpassung χ + C - χ Φ + C k Φχ, T N, T V - Φ k ξφ + q C q ξ p Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 5 k ξp

6 Erweiterungen: Pilotenmodell für Seitenruder Ziel: Schiebewinkel vermeiden im Windenstart bei Seitenwind evtl. diskutabel: mehr Stress für den Piloten, Verluste durch Schiebewinkel nicht klar Realisierung: P-Regler zur Minimierung des Schiebewinkels mit dem Seitenruder Zusätzlich Gierdämpfer zur Unterdrückung von Schwingungen Staudruckanpassung β k ζβ + q C q ζ r k ζr Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 6

7 Erweiterungen: Bodenmodell Realisierung über einzelne Kontaktpunkte mit Feder-Masse-Dämpfermodellen Mögliche Kontaktpunkte: Fahrwerksteile (Reifen) exponierte Strukturelemente, z.b. Flügelspitze finite Elemente des Seils Betrachtet werden: Reaktionskraft des Bodens in z-richtung (Auflagekraft) Reibkräfte in der Bodenebene Bislang noch keine Unterschiede nach Richtung bzw. Haften/Gleiten/Rollen µ F s F = c s + d s' Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 7

8 Erweiterungen: Bodeneffektmodell Aerodynamischer Bodeneffekt: Auftriebserhöhung und Widerstandssenkung bei Bodenannäherung Anpassung der aktuellen Beiwerte der Längsbewegung in Abhängigkeit der Höhe über Grund Abschätzung der nötigen Faktoren über Modell in XFLR5 (Vortex-Lattice-Methode) Einfluss auf Nickmoment noch unklar C A =f(α) h AGL = m Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 8

9 Untersuchungen: Referenzfall Flugzeug: ASK 21, einzelner Pilot Dieselwinde mit 1000 m Kunststoffseil Simulation beginnt mit laufender Winde, aber am Boden stehendem Flugzeug Keine asymmetrischen Einflüsse Kein Wind Erreicht 432 m Ausklinkhöhe nach 33.7 s Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 9

10 Untersuchungen: Vergleich 2008/ durchgezogen: Fahrt, punktiert: Stallgeschwindigkeit V a, V S [m/s] Sicherheitsabstand in % (1 - V S /V a )*100% Referenzfall 2008 Ohne anrollen t [s] Erhöhung des Stall-Abstands beim Abheben durch Bodeneffekt Weniger Bahnschwingung durch Feintuning des Pilotenmodells der LB Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 10

11 Untersuchungen: Einfluss des Anrollvorgangs 40 durchgezogen: Fahrt, punktiert: Stallgeschwindigkeit V a, V S [m/s] Sicherheitsabstand in % (1 - V S /V a )*100% Referenzfall Ohne anrollen t [s] Mehr Sicherheitsabstand, da Anfangsbedingungen ohne Anrollen schlecht Höhere Geschwindigkeit, da Regler später eingreift Anrollen auf Bug- und Hauptrad, Abheben, Hecksporn setzt nochmal auf Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 11

12 Untersuchungen: Einfluss des Reglers (Längsbewegung) 60 durchgezogen: Fahrt, punktiert: Stallgeschwindigkeit V a, V S [m/s] Sicherheitsabstand in % (1 - V S /V a )*100% Referenzfall Ohne Regler t [s] Fahrt etwas höher, aber erreicht noch nicht das zulässige Maximum Stabiles Flugzeug: Pilot braucht wenig zu tun Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 12

13 Untersuchungen: Einfluss des Reglers (Längsbewegung) Flugpfad xz z [m] Referenzfall Ohne Regler x [m] Flugpfade sehr ähnlich Piloteneingriff erforderlich, um waagerecht auszuklinken Ausklinkhöhe mit Regler nur ca. 9 m größer Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 13

14 Untersuchungen: Start bei Seitenwind Drei verschiedene Seitenwindszenarien Späte Rampe: Wind beginnt in 130 m Höhe bei laufendem Regler Frühe Rampe: Wind beginnt bereits am Boden, Regler noch aus Dublette: Zwei entgegengesetzte Böen bei laufendem Regler Jeweils 10 m/s Spitzengeschwindigkeit Wind genau von links v W g [m/s] Referenzfall Seitenwind Rampe spaet Seitenwind Rampe frueh Seitenwind Dublette t [s] Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 14

15 Untersuchungen: Start bei Seitenwind 40 durchgezogen: Fahrt, punktiert: Stallgeschwindigkeit V a, V S [m/s] (1 - V S /V a )*100% Sicherheitsabstand in % Referenzfall Seitenwind Rampe spaet Seitenwind Rampe frueh Seitenwind Dublette t [s] Rampen: Kaum Einfluss auf Längsbewegung Böen wirken sich auch auf Längsbewegung aus wg. menschl. Reaktionszeit Verlust an Ausklinkhöhe maximal 5 m Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 15

16 Untersuchungen: Start bei Seitenwind Flugpfad xy -50 y [m] Referenzfall Seitenwind Rampe spaet Seitenwind Rampe frueh Seitenwind Dublette x [m] Frühe Rampe: Flugzeug wird bereits unterhalb der Sicherheitshöhe ausgeweht, Regler braucht sehr lange zur Kompensation Andere Fälle: Flugpfad wird auf 10 m genau eingehalten Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 16

17 Untersuchungen: Einfluss des Reglers (Seitenbewegung) 5 Hängewinkel Φ 0 Φ [deg] t [s] 2 Schiebewinkel β β [deg] 0-2 Seitenwind Rampe spaet Seitenwind ohne SR-Regler Seitenwind starker SR-Regler t [s] Variation der Parameter (Gain) des Seitenruder-Reglers Kleine Schiebewinkel erfordern große Hängewinkel Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 17

18 Untersuchungen: Einfluss des Reglers (Seitenbewegung) -100 Flugpfad xy -50 y [m] Seitenwind Rampe spaet Seitenwind ohne SR-Regler Seitenwind starker SR-Regler x [m] Unterschiede in der Längsbewegung vernachlässigbar Menschliche Reaktionszeit bedingt Mindest-Abweichung Verluste sind klein, aber nicht zu vermeiden: entweder Schiebewinkel zulassen Widerstand oder über Hängewinkel kompensieren mehr Auftrieb nötig Widerstand Exakte Bewertung schwierig, da Parameter nicht genau bekannt Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 18

19 Zusammenfassung Erweiterung der bestehenden Simulation um Pilotenmodelle für die Seitenbewegung Modelle für Boden und Bodeneffekt Simulationsergebnisse: Bodeneffekt erhöht Sicherheit in Anfangsphase Stabiles Flugzeug: wenig Piloteneingriff nötig Seitenwind kann ausgeregelt werden, muss aber nicht Negative Effekte sind nicht zu vermeiden, aber klein Zur Bewertung von Schiebewinkeln sind mehr Messungen nötig Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 19

20 Ausblick Mehrpunkt-Aerodynamikmodell: Einfluss des HLW getrennt erfassbar Möglicherweise Strömungsabriss am HLW im Bogen? Messung verschiedener Parameter wünschenswert Seileigenschaften (Reibung, C W -Wert, ) Bodeneffekt Anstellwinkel an Flügel und HLW separat Einfluss des Schiebewinkels Vergleich mit realen Messdaten Beliebige weitere Untersuchungen mit dem Simulations-tool möglich, z.b. Fahrwerksposition etc. Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 21

22 Ausgeblendete Folien

23 Simulink-Modell Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 23

24 Simulationsumgebung Darmstadt, 19./20. Nov Symposium für Segelflugzeugentwicklung 24