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Flugzeugkonfigurationen
Studium + Flugzeugkonfigurationen Warum fliegen Flugzeuge ??? Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 2 Grundprobleme Auftriebserzeugung Vortriebserzeugung Steuerung Stabilisierung Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 3 aerostatische Luftkräfte Auftrieb A A V g Atmosphere: ∞ ,p∞ p ≥ p∞ < ∞ Gasdichten : Wasserstoff: = 0,0899 kg/m3 (273,15 K, 1013,25 hPa) Helium: = 0,1786 kg/m3 (273,15 K, 1013,25 hPa) Gewicht G = m*g Luft (ISA): = 1,225 kg/m3 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 4 (288,15 K, 1013,25 hPa) Statischer Auftrieb Blimp (unstarr): Freiballon: Halbstarrluftschiff: Fesselballon: Starrluftschiff: Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 5 aerodynamische Luftkräfte Luftkräfte am Flugzeug FA Widerstand W=Fx Fy MA Idee: Finde eine Bauformen, die • genügend Auftrieb bei geringem Widerstand produziert (→ ”Flügel”) • ausreichend Platz für Fracht und Passagire bei geringem Widerstand bieten (→ ”Rumpf”) Auftrieb A=Fz FA Für Momente analog ! allgemein G Flugmechanisches KOS: xa x: Anströmrichtung z: in der Symmetrieebene des Lfz Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 6 ya za Lilienthals Experimente Dünnes Flügelprofil eines Storchs Otto Lilienthal 1848-1896 „Rundlaufapparat“ verwendete „Flächen“ Messung des Widerstandes W Fläche S: • 0,1 – 0,5 m² Messung des Auftriebs A Wölbung: • 0 – 1/12 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 7 Material: • bespannte Holzrahmen • Pappe • Pressspan • Messingblech Geschwindigkeit: • 1-12 m/s Resultate für unterschiedliche Flächen Auftrieb Lilienthals Experimente Anstellwinkel Anströmrichtung 20° 30° 12° 35° 37° 40° 30° 2 v2 -9° 37° 40° 23° 9° 6° W 55° 60° 50° 60° 65° 65° 15° 3° mit q FA 50° 6° -3° -6° A 45° 9° FA ~ qS 25° 15° 0° W FA 3° 0° Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 8 A 70° 70° 75° 80° Widerstand 80° 85° 90° 90° aerodynamische Luftkräfte p p Null-Widerstand Wi n W0 Induzierter Widerstand W W0 Wi s FA p p A Auftriebs- u. Widerstandsgleichung A CA q S projizierte Fläche S W CW q S mit q v, v2 2 w G Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 9 Nullwiderstandsbeiwert CW0 Form- & Interferenzwiderstand Wellenwiderstand [n. Raymer, S. 297] Reibwiderstand Ma* 1,0 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 10 MaSVK Ma ASH25 vs. Mirage2000 A CA q S ASH25: S: 16 m² m: 750 kg W CW q S mit q v2 Mirage 2000: S: 40 m² m: 15.000 kg v: 280 km/h CA: ? 2 2 1, 225 280 q v2 3705 Pa 2 2 3, 6 ASH25 : CA m g 750 9,81 0,12 S q 16 3705 Mirage2000 : CA Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 11 m g 15000 9,81 0, 99 40 3705 S q Flächenbelastung Gges ~ V ~ l 3 S ~ l2 Steinadler Möve Gges S ~l ~ 3 Gges Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 12 Taube Flächenbelastung Transportflugzeuge A380 1,E+03 Gges S ~ 3 Gges Tu-244 Sportflugzeuge An-2 2 Flächenbelastung [kg/m ] 1,E+02 Kampfflugzeuge Leichtflugzeuge Ultraleicht Höckerschwan Solarflugzeug 1,E+01 Paragleiter Falter Kolibri Pteranodon 1,E+00 Muskelkraftflugzeug Stechmücke 1,E-01 1E-05 1E-04 Insekten Vögel Flugzeuge 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 m [kg] Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 13 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06 Fluggeschwindigkeit 1,E+03 6 v~ G Ma=1 Flugzeuge: 2↑ Flugzeuge: H↑→↓→v 2 h?? ??v ? 1,E+02 v [m/s] Paragleiter 1,E+01 Pteranodon Muskelkraftflugzeug Vögel Flugzeuge 1,E+00 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 m [kg] Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 14 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06 Wurzelkubikgesetz v 2 const. Gges S const. Gges ~ S GFl ~ V ~ l 3 A380 2 m=580 to S=846 m2 S ~l GFl ~ S 3 2 GFl ~ Gges Theorie: 3 2 3 GFl ~ Gges A320-200 m=77 to S=123 m2 GFl 0, 4 ~Gges Gges Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 15 Praxis: GFl ~G 1, 4 ges Welche Arten von Flugzeugen kennen wir ??? Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 16 Sportflugzeuge (zivil) Extra 300 Cessna 172 Diamond DA 40 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 17 Verkehrsflugzeuge (zivil) A-320 Learjet A-340 Tu-144 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 18 Luftüberlegenheit / Abfangjagd (militärisch) F-15 „Eagle“ F-104 „Starfighter“ Mirage 2000 C Mig 25 „Foxbat“ Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 19 Erdkampf / Gefechtsfeldabriegelung (militärisch) Tornado IDS A-10 „Thunderbolt II“ Mil Mi 24 „Hind“ A-7 „Corsair II“ Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 20 Strategischer Angriff (miltärisch) B-52 „Stratofortress“ B-2 „Spirit“ B-58 „Hustler“ Tu 160 „Blackjack“ Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 21 Was sind die konfigurativen Merkmale von Flugzeugen ??? Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 22 Gliederung Luftfahrzeug Struktur Antrieb Systeme Quelle: www.spang-air.de Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 23 Gliederung Luftfahrzeug Struktur Rumpf Antrieb Tragwerk Systeme Leitwerk Steuerwerk Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 24 Struktur - Rumpf Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 25 Struktur – Rumpf – Bauweisen Gerüstbauweise Spant Holme Schalenbauweise Halbschalenbauweise Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 26 Struktur – Rumpf – Formgebung Funktionen des Rumpfes • 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 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 Struktur – Rumpf – Formgebung Unterschall-(Transport)-Flugzeuge • 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 Struktur – Rumpf – Formgebung Schallnahe und Überschall-Flugzeuge • Berücksichtigung der „Area Rule“ Verminderung des Wellenwiederstandes Erhöhung der krit. Machzahl • Ziel ist es, Variationen der Gesamtquerschnittfläche zu minimieren Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 30 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 Struktur – Rumpf Bestuhlung • Verschiedene Anordnung möglich • Regel: Pax soll nie mehr als 2 Sitze vom Gang entfernt sein Max. 6 Sitze von einem Gang bedienbar Typischer Sitzabstand (Seat Pitch): • First: 1m • andere: 0,7 m (unbequem, Kurzstrecke) Typische Gangbreite (Aisle Widths): • First: 0,6 m • andere: 0,4 – 0,5 m Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 32 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 Struktur – Tragwerk Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 33 Struktur – Tragwerk Aufgaben des Tragwerks („Flügel“) Auftriebserzeugung • Ausgleich der Gewichtskraft Steuerung • Erzeugen von Rollmomenten zur Richtungsänderung durch Querruder Stabilität • Aerodynamische Dämpfung zur Rollund Gierstabilität Stauvolumen Kraftaufnahme/ -übertragung • Unterbringung von Kraftstoff (und Fahrwerk) • Anbringung von Außenlasten, Fahrwerk und ggf. Triebwerken Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 34 Struktur – Tragwerk – Geometrie Tragwerksformen Ellipse Rechteck s S l ( y )dy s Hybrid Trapez Delta Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 35 Struktur – Tragwerk – Geometrie Streckung Zuspitzung Pfeilung 0 S l la li b=2s b2 S Eta b: 31 m : 51 la li XF-91 >1 (ungewöhnlich !) Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 36 25 Transsonischer Wellenwiderstand Anstieg von CW0 in der Transsonik 0 Ma=0,6 =15° Flügelpfeilung CW0 1,0 2,0 Ma 3,0 [n. Nicolai,2-19] Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 37 Struktur – Tragwerk – Geometrie Tragwerksanordnung Hochdecker Mitteldecker Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 38 Schulterdecker Tiefdecker Struktur – Leitwerk Flosse z Ruder y Dorsal Fin Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 39 x Struktur – Leitwerk – Geometrie Leitwerksanordnung konventionell T-Leitwerk A380 Kreuzleitwerk Avro 146-RJ V-Leitwerk MIG-17 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 40 H101 Struktur – Leitwerk – Geometrie Entenleitwerk „Canard“ Eurofighter Mehrfach-Seitenleitwerk F-14 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 41 Struktur – Steuerwerk Querruder Seitenruder Höhenruder Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 42 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 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 Gliederung Luftfahrzeug Struktur Antrieb Kerntriebwerk Systeme Schmierstoffanlage Anlassanlage Triebwerksteuerung ggf. Getriebe ggf. Propeller Hilfsantrieb Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 45 Antrieb Antriebsarten Luftfahrtantriebe Luftstrahlantriebe Strahlrohre Staustrahl-TW "(Sc)ramjet" Pulstrahl-TW "Pulsejet" Luftschraubenantriebe Turbostrahltriebwerke (TL) Turbowellentriebwerke Einstrom~ ETL "Turbojet" Propeller-TL PTL Vortriebserzeugung "Turboprop" Zweistrom~ ZTL "Turbofan" Wellenleistungs-TW Ausführungsarten "Turboshaft" Kolbenmotoren Elektromotoren Muskelkraft Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 46 Raketenantriebe Funktionsprinzipien Antrieb Gondel am Heck im Flügel B727 Comet Gondel unter Flügel im Rumpfheck F-104 A380 im Rumpfbug Gondel über Flügel VFW 614 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 47 C-172 Gliederung Luftfahrzeug Struktur Antrieb Ausrüstung Flugsteuerung Grundsysteme Zusatzsysteme Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 48 Gliederung Grundsysteme Pneumatik Kühlung, Druck, … Elektrik elektrische Energie Hydraulik hydraulische Energie Kraftstoff Lagerung und Bereitstellung Klima Lebenserhaltung z.B. Sauerstoff Vereisungsschutz Rettung z.B. Schleudersitz Fahrwerk / Bremse Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 49 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 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 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 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 Fahrwerk Reifen Zwillingsbereifung (A380) Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 54 Fahrwerk Fahrwerksintegration Cessna 172 A380 B737 DA 42 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 55 Fahrwerk Sonderbauweisen DHC-6 C-130 Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 56 Last but not least….. Studium + – Ringvorlesung „Luft“ - Flugzeugkonfigurationen – 57
