Einführungs in die Luftfahrttechnik_Skript Stuttgart_LT_Script

IFB

Institut für Flugzeugbau • Universität Stuttgart

Einführung in die Luftfahrttechnik von Prof. Dipl.-Ing. R. Voit-Nitschmann

Begleitmaterial zur Vorlesung unter Verwendung von Unterlagen der ehemaligen Vorlesung „Luftfahrttechnik“ von Prof. Dipl.-Ing. F. J. Arendts

Version 2.0 Vervielfältigung - auch auszugsweise – nur mit Genehmigung des Verfassers Stuttgart im Mai 2003

1

INHALTSVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

I

1 EINLEITUNG

1

2 GRUNDLAGEN (AEROD. UND FLUGMECH.)

34

3 FLUGZUSTÄNDE / FLUGABSCHNITTE

55

4 BESTIMMUNG VON AUFTRIEB UND WIDERSTAND 79 5 STABILITÄT UND STEUERBARKEIT

103

LITERATURVERZEICHNIS

121

2

Abkürzungsverzeichnis α α1 αH αW αW0 εH0 η ηH ϕ25 ϕv κ κP λ Λ µ ν ρ ρ0 a A a0 APU ATA b b bH c’A cA (cL) cAF cAH cAL cCA cM cMNF cp cPA cPinkr. cTL cW (cD) cWiTr d dαW/dα DA N DLH DOC e f

Anstellwinkel Verwindung Anströmwinkel Höhenleitwerk Abwindwinkel Abwindwinkel bei α=0° Einstellwinkel des Höhenleitwerks Dynamische Zähigkeit Ruderausschlag Pfeilungswinkel t/4 - Linie Pfeilungswinkel Vorderkante Adiabatenexponent Faktor des Profilauftriebswiderstands Zuspitzung Flügelstreckung Reibungskoeffizient, dynamische Viskosität Kinematische Zähigkeit Dichte Dichte auf Meereshöhe Schallgeschwindigkeit Auftrieb Schallgeschwindigkeit auf Meereshöhe Auxiliary Power Unit Aircraft Transport Association Spannweite Beschleunigung Spannweite des Höhenleitwerks Auftriebsgradient Auftriebsbeiwert (lift coefficient) Auftriebsbeiwert des Flügels Auftriebsbeiwert des Höhenleitwerks Auftriebsbeiwert bei der Landung Entwurfsauftriebsbeiwert Momentenbeiwert Momentenbeiwert um den Flügelneutralpunkt Druckbeiwert Spez. Verbrauch von PA-Systemen Inkompressibler Druckbeiwert Spez.Kraftstoffverbrauch des TL Widerstandsbeiwert (drag coefficient) Induzierter Trimmwiderstand Maximale Dicke Abwind 1DA N = 10 N Deutsche Lufthansa Direct Operating Cost Oswald Faktor Maximale Wölbung I

fµ Fh G H hHLW HLW IOC ISA k K KM l lµ la laH li liH LN lr lrH LTH lTO M mTr mA Makr mKr MPH n n N NF NH nl NM nt p p∞ p0 PA PTL q r R R r0 rN s S

Klappenwirkungsbeiwert Flugstunden Gewichtskraft Höhe Höhenleitwerksüberhöhung Höhenleitwerk Indirect Operating Costs International Standard Atmosphere Rauhigkeit Kelvin Kolbenmotor Profiltiefe Bezugsflügeltiefe Flügelaussentiefe Höhenleitwerkstiefe (aussen) Flügelinnentiefe Höhenleitwerkstiefe (innen) Luftfahrtnorm Rumpflänge Höhenleitwerksrudertiefe Luftfahrttechnikhandbuch Gesamte Startstrecke Machzahl Treibstoffmasse Anfangsmasse Kritische Machzahl Kraftstoffmasse Miles Per Hours Polytropenexponent Lastvielfaches Neutralpunkt Flügelneutralpunkt Höhenflosseneutralpunkt Streckenlast in Längsrichtung Nautische Meilen Streckenlast in Tangentialrichtung Gesamtdruck Ungestörter Umbebungsdruck Druck auf Meereshöhe Propellerantrieb Propellerturboluftstrahl Dynamischer Druck Radius Universelle Gaskonstante Reichweite Abstand zwischen t/4-Linie des Flügels und t/4-Linie des Höhenleitwerks Abstand zwischen Flügelneutralpunkt und Höhenleitwerkneutralpunkt Halbe Spannweite Bezugsflügelfläche II

SAR SF sH SH SLW sQ SWPT t T T t0 T0 TL tStau v v∞ v1 v2 vL vMC vMU vNE vR vSTALL W W0 Wi xd xf xL xL1 xL2 xn xs yF.S.P.

Search And Rescue Bezugsflügelfläche des Flügels Halbe Höhenleitwerksspannweite Bezugsflügelfläche des Höhenleitwerks Seitenleitwerk Länge des Querrruders Schwerpunkt Tonne Temperatur Flugdauer Temperatur in Grad Celsius auf Meereshöhe Temperatur in Kelvin auf Meereshöhe Turboluftstrahltriebwerk Stautemperatur Geschwindigkeit Ungestörte Umgebungsgeschwindigkeit Entscheidungsgeschwindigkeit Geschwindigkeit in 35ft Höhe Landegeschwindigkeit Minimum Control Speed Minimum Unstick Speed Never Exceed Geschwindigkeit Take Off Rotation Speed Minimalgeschwindigkeit zum Abheben Gesamtwiderstand Schädlicher Widerstand Induzierter Widerstand Rücklage der maximalen Dicke Rücklage der maximalen Wölbung Landestrecke Aufsetzstrecke Landerollstrecke Abstand bis Neutralpunkt Abstand bis Schwerpunkt Abstand bis Flächenschwerpunkt

III

1 EINLEITUNG............................................................................. 2

1.1. HISTORISCHER ÜBERBLICK................................................ 2 1.2. AUSBLICK .................................................................................. 7 1.3. GRUNDLAGEN DES KONSTRUIERENS ............................ 10 1.4. FLUGZEUG ALS TEIL EINES SYSTEMS ........................... 12 1.5. STRUKTURKOMPONENTEN EINES FLUGZEUGES...... 15 1.5.1. FLÜGEL ................................................................................ 16 1.5.2. RUMPF.................................................................................. 18 1.5.3. HÖHEN- UND SEITENLEITWERKE................................. 20 1.6. AUFGABEN DER FLUGZEUGE ........................................... 21 1.7. DIE DREI GRUNDFORDERUNGEN .................................... 23 1.7.1. SICHERHEIT ........................................................................ 23 1.7.2. KOSTEN................................................................................ 24 1.7.3. LEISTUNGEN ...................................................................... 26 1.8. DIE BEWERTUNG VON ALTERNATIVEN........................ 29 1.9. DER LUFTRAUM..................................................................... 31

1

1 EINLEITUNG

1.1. •

HISTORISCHER ÜBERBLICK Historische Daten

1783

Heißluftballon (Gebr. Montgolfier)

1852

Luftschiffähnlicher Ballon mit Luftschraubenantrieb (Henri Giffard) Antrieb

: Dampfmaschine mit 2,2 KW

Geschwindikeit

: 8 km/h

Reichweite

: 30 km

1891-96

Mehr als 2000 Gleitflüge durch 0tto Lilienthal

02.07.1900

Erstflug der Luftschiffes LZ-1. Graf Ferdinand von Zeppelin flog (fuhr) mit 5 anderen Passagieren 20 Minuten lang.

14.08.1901

Gustav Weißkopf gelingt mit seiner "Nr.21" de erste Motorflug der Geschichte. Zwecks fehlender Beweisfotos wird dieser Flug bis heute nicht anerkannt.

17.12.1903

Orville und Wilbur Wright gelingt in den Dünen von Kitty Hawk in North Carolina der erste dokumentierte Motorflug (Flyer I) der Geschichte.

1907

Antrieb

: 8,8 KW

Reichweite

: 53 m

Zeit

: 12 s

Gewicht

: ca. 300 kg incl. Pilot

Erster ungefesselter Hubschrauberflug durch Breguet vierrotorig, 620 kg, 36 KW Höhe: 1,5 m

25.07.1909

Louis Bleriot überquerte auf der Strecke Calais - Dover als erster den Ärmelkanal im Flugzeug.

01.01.1914

Weltweit erster Passagierflug. Tony Janus flog in seinem Benoist Typ XIV Flugboot einen Passagier von St. Petersburg nach Tampa. Flugzeit 23 Minuten

15.07.1916

William Boeing gründet die "Pacific Aero Products", die später in "Boeing Aeroplane Co." umbenannt wird.

1919

Erste Atlantiküberquerung durch Alcock und Brown

08.02.1919

Erster planmäßiger internationaler Passagierflug. Lignes Aériennes Farman von Paris nach London

25.06.1919

Erstflug einer Junkers F-13, das weltweit erste Ganz-Metall Flugzeug

10.02.1926

Erste Ost-West Überquerung des Süd-Atlantiks beendet. Pilot Franco startete mit einer Dornier Wal am 22.1.1926. 2

12.07.1929

Erste Atlantiküberquerung im Alleinflug durch Charles Lindberg in der “Spirit of St. Louis“. Jungfernflug der DO X in Altenrhein am Bodensee. Nach verschiedenen Testflügen absolvierte die DO X am 21 Oktober 1929 einen einstündigen Rekordflug mit 169 Passagieren an Bord. Dieser Rekord blieb 20 Jahre ungebrochen.

07.03.1932

Jungfernflug der JU52/3m die später den Kosenamen "Tante Ju" bekam.

06.05.1937

Das Luftschiff "Hindenburg" explodiert bei der Landung in Lakehurst bei New York. Damit endet die Ära der großen Luftschiffe.

11.08.1938

Erster Transatlantik Nonstop Flug durch eine zivile Maschine: Focke Wulf Fw 200 Condor auf der Strecke Berlin – New York.

27.08.1939

Erstflug der Heinkel 178, dem ersten strahlgetriebenen Flugzeug der Welt. (Pabst von Ohain, Ernst Heinkel)

18.07.1942

Erstflug der Messerschmitt Me 262, dem ersten Flugzeug mit Strahltriebwerken.

14.10.1947

Chuck Yaeger durchbricht als erster mit dem Raketenflugzeug Bell-X1 die Schallmauer.

26.06.1948

Beginn der Berliner Luftbrücke

31.07.1948

Der Flughafen New York Idlewind (heute John F. Kennedy) wir eröffnet

27.07.1949

Erstflug des Düsenverkehrsflugzeugs DeHavilland “Comet“ und damit auch der weltweit erste Flug eines Passagierjets

13.10.1950

Erstflug der Lockheed L-1049 Super Constellation

01.04.1955

Die Nachkriegs-Lufthansa beginnt wieder mit dem Flugbetrieb

26.05.1955

Erstflug der Caravelle

10.10.1959

Erster Weltumrundungsflug durch einen Jet. Eine B-707 von PanAm führt ihn aus.

31.10.1959

Erstflug der Comet 4C

14.07.1961

Der erste 2 Strahler-Jet in den USA, eine Caravelle, kommt bei United zum Einsatz.

20.08.1963

Erstflug der BAC-One-Eleven

März 1965

Erster “Nonstop-Flu“ über den Pazifik. Qantas mit B-707-338B von Sydney nach San Francisco. Flugzeit: 14 Stunden und 33 Minuten.

09.04.1967

Erstflug der B-737

30.06.1968

Erstflug einer Lockheed C-5A "Galaxy". Damit beginnt die Ära der Mantelstromtriebwerke bei Großtransportern.

Februar 1969

Erstflug der B-747

02.03.1969

Erstflug der Concorde

26.05.1970

Eine TU-144 erreicht als erstes Passagierflugzeug Mach2.

29.08.1970

Erstflug der DC-10

04.11.1970

Die Concorde erreicht zum ersten Mal Mach2.

1927

3

18.12.1970

Airbus Industries wird gegründet.

27.10.1972

Erstflug eines A300, erster Airbus

Mai 1973

Airbus führt im Flugbetrieb die erste vollautomatische Landung mit einem A300 durch.

23.05.1974

Mit dem Flug Paris – London bei Air France beginnt der Airbus A300 seinen Flugbetrieb. Liniendienst mit überschallschnellem Verkehrsflugzeug “Concorde“.

1975 März 1977

Bisher größte Flugzeugkatastrophe. Über dem Flughafen von Teneriffa kollidiert eine Boeing 747 der KLM mit einer Boeing 747 der PanAm.

12.4.1981

Start des space shuttle

April 1983

Bei Lufthansa startet ein A310 zu seinem ersten Streckeneinsatz.

April 1988

Erstflug der B-747/400 (Boeing)

21.12.1988

Erstflug der AN 225 (Antonov), größtes Flugzeug der Welt

25.10.1991

Erstflug eines A340 (Airbus)

Juni 2000

Startschuß für den Megaliner A380 (Airbus)

24.04.2001

Erstflug der A340-600 (Airbus); längstes Flugzeug der Welt

15.01.2002

Erstflug der A318 (Airbus)

11.02.2002

Erstflug der A340-500 (Airbus), größte Reichweite Tabelle 1.1 Historische Daten

4

G 3,000 = ≈ 125N / m 2 S 2 x12

Abbildung 1.1

•

Flugzeug der Brüder Wright

Einige bisher erreichte Leistungen Absoluter Geschwindigkeitsrekord durch North American 15 v = 6715 km/h

( Ma > 6, tStau > 6000C )

Geschwindigkeitsrekord im Horizontalflug SR 71 v = 3530 km/h Absoluter Höhenrekord ebenfalls durch N.A. 15 H = 96000 m Höchste Höhe im Horizontalflug SR 71 H = 26000 m Langstreckenrekord durch Voyager: Erdumrundung in 9 d 0 h 3 min Größte Flugzeuge: Lockheed C-5A

Abfluggewicht: 420 t (Luftbetankung)

Boeing 747

Leergewicht: 160 t Abfluggewicht: 370 t 400-500 Passagiere Spannweite: 60 m Länge: 70 m

5

Lockheed C-5

Leergewicht: 150 t

Galaxy

Abfluggewicht: 350 t Militärische Fracht, 350 ausgerüstete Soldaten Spannweite: 68 m Länge: 70 m

Antonov 225

Länge: 84,04 m Höhe: 18,1 m Spannweite: 88,4 m max. Abfluggewicht: ca.600 t max. Nutzlast: ca. 250 t max. Geschwindigkeit: 850 km/h max. Reichweite: 4500 km (volle Nutzlast) 15400 km (kein cargo)

Airbus 300-600St (Beluga)

Länge: 56,15 m Höhe: 17,24 m Spannweite: 44,84 m max. Volumen: 1400 m³

Airbus 340-600

Länge: 75,3 m Höhe: 17,3 m Spannweite: 63,45 m max. Abfluggewicht: 365 t Nutzlast: 55,6 t Reichweite: 13 900 km mit max. 380 Passagieren

6

1.2.

AUSBLICK

Trotz der Ölkrise im Jahr 1973 ist ein stetiger Trend der Passagierzahlen und der Fracht nach oben vorhanden. Dies gilt für den Linien- und Charterverkehr ebenso wie für die allgemeine Luftfahrt. bez. Tonnenkilometer

Millionen to Fracht

40·104

400.000

35·104

350.000

30·104

300.000

25·104

250.000

20·104

200.000

15·104

150.000

10·104

100.000

5·104

50.000

0

0

Millionen Passagiere 4.000

bezahlte Tonnenkilometer (ges.)

3.000

2.000 Beförderte Passagiere 1.000 Fracht in Tonnen

0 1991

1993

1995

1997

1999

Jahr

Diagramm 1.1

Planmäßiger Weltluftverkehr

Die Ölkrise hat den Kraftstoffpreis in 7 Jahren etwa verdreifacht. Eine noch größere Verteuerung ist abzusehen. Dollars pro Gallone 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

Jahr

Diagramm 1.2

Entwicklung der Kraftstoffpreise

7

Wartungskosten 16,9%

Personalkosten 22,6%

andere Kosten 1,4%

Kraftstoffkosten 32,3% Abschreibung 26,8% Abbildung 1.2

Aufteilung der DOC

Der Anteil der Kraftstoffkosten an den “ direct operating cost “ nimmt ständig zu. Dies führt dazu, dass Flugzeuge aus wirtschaftlichen Gründen früher ausgemustert werden müssen. Neue Technologien müssen helfen, trotz der starken Erhöhung des Kraftstoffpreises Flugzeuge wirtschaftlich betreiben zu können: o Antrieb o Zelle o Auslegung o Wartung Wenn ein Machmeter um Ma=0,01 nachgeht und die Geschwindigkeit korrigiert wird, so entstehen bei der DLH folgende Kosten: 737

+ 1,5%

52.918,71 Euro/Jahr

727

+ 2,3%

135.236,70 Euro/Jahr

707

+ 3,3%

278.398,40 Euro/Jahr

747

+ 2,2%

416.191,50 Euro/Jahr

8

Diagramm 1.3

Weltbedarf an Transportflugzeugen (Marktvorschau Airbus)

Im militärischen Bereich, bei den Hubschraubern und bei der allgemeinen Luftfahrt gelten ähnliche Trends.

9

1.3.

GRUNDLAGEN DES KONSTRUIERENS

Der Konstrukteur muss ein bestimmtes Wissen und bestimmte Fähigkeiten besitzen, um seine Aufgabe erfüllen zu können. o

physikalische Grundlagen -

Der Konstrukteur muß die für seine Aufgabe relevanten physikalischen (zum Teil auch chemischen) Phänomene, Zusammenhänge und Gesetze kennen und bei seiner Arbeit beachten. Hierfür stehen ihm neben seinem während des Studiums angeeigneten Wissen zur Verfügung:

o

-

Fachliteratur im weitesten Sinne

-

Dateien (z.B. Werkstoffkennwerte, Profildaten)

-

Vorschriften

-

Der Konstrukteur muss in der Lage sein, bei der Anwendung neuer Technologien Aktivitäten (in allgemeinen Experimenten) zu spezifizieren, durch die die noch unbekannten Phänomene, Zusammenhänge und Gesetze ermittelt oder zumindest das Funktionieren der Konstruktion nachgewiesen wird.

logische Grundlagen -

Der Konstrukteur muss die Fähigkeit besitzen, Forderungen durch abstrakte Begriffe darzustellen und

-

eine ihm gestellte Aufgabe zu strukturieren.

-

Er muss zu dem in der Lage sein, Aufgaben und Funktionen der einzelnen Strukturelemente, Komponenten bzw. der Strukturgerüste durch abstrakte Begriffe zu beschreiben (idealisieren).

-

Er muss Analysen und Bewertungen durchführen können.

Mit anderen Worten, die Konstruktion beginnt mit einem leeren Blatt, mit Worten und Zahlen, dann erst entstehen Skizzen und Zeichnungen, die schließlich zu Bauunterlagen ausgearbeitet werden. o

konstruktive Grundlagen -

Der Konstrukteur muss die Methoden und Gesetze der Darstellungstechnik beherrschen (manuell und CAD)

-

Er muss logische Zusammenhänge in durch physikalische Gesetze beschreibbare Hardware (Maschinenelemente, Komponenten) übersetzen können.

10

-

Er muss die Fähigkeit besitzen, die Synthese (Konstruktion) der einzelnen Elemente zu einem Apparat durchzuführen, der die gestellten Forderungen erfüllt bezüglich •

Leistung (z.B. Gewicht)

•

Sicherheit

•

Kosten

Die primäre Aufgabe des Konstrukteurs ist die Synthese von in ihrer physikalischen Funktion bekannter und beschreibbarer Elemente zu einem Apparat oder System (Abstrakt ⇒ Konkret) . (Der Physiker und Versuchsingenieur analysiert unbekannte physikalische Phänomene mit Hilfe von Messgeräten, um sie beschreibbar und damit für den Konstrukteur nutzbar zu machen). o

systemtechnische Grundlagen Bei allen Maßnahmen sind die Auswirkungen auf das Gesamtsystem zu betrachten (multidisziplinär). Entwickelt werden Flugzeugsysteme und nicht nur eine isolierte Zelle. Bei der Konstruktion ist deshalb auf das Interface zu gleichrangigen und übergeordneten Systemen zu achten. Meist wird das Interface durch Forderungen definiert. -

-

Beispiele für gleichrangige Systeme: •

Flügelanschluss (komplizierter Flügel oder komplizierter Rumpf)

•

Toleranzen beim Zusammenbau von Baugruppen

•

Interface von Zelle und Ausrüstung (Freigängigkeit, Zugängigkeit, Durchbrüche, Deckel)

•

Interface Zelle und Aerodynamik (Strak, Oberflächengüte)

Beispiel für übergeordnete Systeme: •

Zelle

•

Flugzeug

•

Flotte (Normung, Flugzeugfamilien)

11

1.4. o

FLUGZEUG ALS TEIL EINES SYSTEMS Definition des Begriffes “ System “ “ System “ ist die Organisation von Geräten, Anlagen, Personal und Daten (Software) mit einer bestimmten Zielsetzung.

o

Beispiel: Personen und Gütetransport bei einer Fluggesellschaft Das Zusammenspiel der Geräte, der Anlagen, des Personals und der Daten mit dem Ziel, Menschen und Güter sicher, regelmäßig (fahrplanmäßig), schnell, komfortabel und kostengünstig (konkurrierend) auf geplanten Strecken zu transportieren und einen Gewinn zu erzielen, erfordert ein kompliziertes System. Teile dieses Gesamtsystems bilden dabei:

-

Das Flugzeug mit seinen Untersystemen einschließlich des Bedienungspersonals (Piloten, Flugingenieure, Stewardessen)

-

Apparate und Personal zur Ver- und Entsorgung des Flugzeuges (Betriebsstoffe, Küchengüter, WC´s, Reinigung usw.)

-

Geräte und Personal für das Be- und Entladen des Flugzeugs inklusive Gewichts- und Schwerpunktskontrolle (Treppen, Transportwagen usw.)

-

Bereitstellung der Betriebsstoffe, Ersatzteile und Verschleißteile mit einer geschulten Wartungsmannschaft

-

Kontrollverfahren

-

Einleitung und Steuerung des Reperaturkreislaufes von defektem Gerät

-

Abstimmung der Belegung der Flugzeuge (Nutzung und Wartung, Streckenführung)

-

Infrastruktur (Fluplatz, Hallen, Bodengeräte usw.)

-

Schulung (Ausbildung, Einweisung und laufendes Training) der Piloten, der Mechaniker usw.

-

Bereitstellung der notwendigen Software-Unterlagen - wie z.B. Handbücher (Flughandbuch, illustrierter Teilekatalog, Reparaturhandbuch)

-

Informationssystem (z.B. Buchungen)

-

Versorgung des fliegenden Personals

12

GPU W

T G

BC CL CS

AS

C AS

C

GC

CL FL FR

BC

G T

W

∗ Nach C + CS Entfernung Anlasswagen in Position

Abbildung 1.3 Flugzeug mit Bodenversorgung (Passagier-Außenposition Abfertigung, APU nicht in Betrieb)

AS

- Anlaßwagen (Druckluft)

C

- Kabinenreinigungswagen

CS

- Treppen für Kabinenreinigung

F

- Tankwagen

FL

- Sperrgutbeladewagen

FR

- Sperrgutwagen

G

- Verpflegungswagen

GC

- Bodenklimawagen

GPU - Elek. Bodenversorgung BC

- Gepäckwagen

CL

- Containerbeladegäret

T

- Toilettenversorgungswagen

W

- Wasserversorgungswagen

13

o Aufteilung der Flugzeugsysteme gemäß ATA 100:

Antrieb

Zelle

Ausrüstung

Triebwerk

Struktur

Hydraulik

Kraftstoff

Steuerung

Elektrik

Tank

Fahrwerk

Klima

Messung

Regelung

Versorgung

Avionik Rettung Abbildung 1.4

Flugzeuguntersysteme

14

1.5.

STRUKTURKOMPONENTEN EINES FLUGZEUGES

In Abbildung 1.5 ist die Flugzeugstruktur einer klassischen Konfiguration dargestellt. Im folgenden sollen die wesentlichen Aufgaben der Strukturkomponenten und ihre Beanspruchung kurz umrissen werden.

Abbildung 1.5

Flugzeugstruktur

15

1.5.1. FLÜGEL a) Aufgabe o Erzeugung von Auftrieb im Langsam- und Schnellflug ⇒

Vorder- und Hinterkantenklappen

o Trimmen, Steuern und Stabilisieren um die Längsachse des Flugzeuges ⇒

Querruder, Spoiler assymetrisch betätigen

o Tragen von Kraftstoff ⇒

Integraltank

o Tragen von Außenlasten z. B. -

Tiptanks

-

Raketen und Bomben

-

Zusatztanks

-

Elektronik- oder Aufklärungsbehälter

o Tragen der Triebwerke (abhängig von der Konfiguration) o Unterbringen und/oder Konfiguration)

Abstützen

des

Hauptfahrwerks

(abhängig

von

der

Definition: o Trimmen heißt die Steuerflächen so zu stellen, dass ein stationärer Flugzustand erreicht wird. o Steuern heißt die Steuerflächen so zu betätigen, dass ein instationärer Flugzustand entsteht, der zu einem neuen stationären Zustand führt. o Stabilisieren heißt durch schnelles betätigen der Steuerflächen Störungen ausgleichen, so dass die Trimmlage möglichst erhalten bleibt.

b) Beanspruchungen o Querkräfte, Biegemomente und Torsionsmomente durch Luft- und Massenkräfte (Eigengewicht der Flügelstruktur, Außenlasten, Kraftstoff) Die Größenordnung der maximalen Querkraft ist, wenn der Rumpfauftrieb, die Trimmlasten und die Massenkräfte des Flügels vernachlässigt werden.

1 Qz = Gn z 2

(1.5-1)

Die Größenordnung des maximalen Biegemomentes ist bei den gleichen Vernachlässigungen und konstanter Auftriebsverteilung: M x = Qz yF .S . P.

(1.5-2) 16

Die Größenordnung des Torsionsmomentes lässt sich nicht so leicht angeben, da die Einflüsse des Flügelprofiles, der Geometrie das Flügels und der Ruder und Klappen sowie der Klappenstellung und der Flugmachzahl zu groß sind. Mitunter kann auch eine Steifigkeitsforderung in gewissen Bereichen maßgebend werden. o Örtliche Kräfte und Momente durch Einleitung von Außenlasten, Ruder- und Klappenlasten o Örtliche Druck und Saugkräfte ( Luftkräfte ) ∆p = C P ⋅ q

(1.5-3)

∆p = p − p∞ = C p ⋅ q

(1.5-4)

( p − p∞ )

(1.5-5)

CP =

q

 v2  Cp = 1 −  2  v   ∞ 

(1.5-6)

Die Extremwerte von Cp sind: -

Staupunkt C P ≈ 1 + 0,25M 2

-

(1.5-7)

Sog an Flügeloberseite

C

−

P

≈

1 , 43 M 2

(1.5-8)

o Druck durch Kraftstoffsystem und hydrostatischer Druck beim Rollen um die Flugzeuglängsachse . ⋅•

∆P = ρ ⋅ h ⋅ p⋅ y wobei

(1.5-9)

⋅ •

p ≡ Rollbeschleunigung und y ≡ Abstand zur Längsachse

17

1.5.2. RUMPF a) Aufgaben o Tragen verschiedener Nutzlasten -

Piloten

-

Passagiere → Druckkabine

-

Fracht

-

Außenlasten (Waffen, Zusatzbehälter)

o Hebelarm für Leitwerke (HLW, SLW) o Unterbringung von Kraftstoff und Ausrüstung (z. B. Radar) o Integration der Antriebsanlage (Triebwerke, Schuberzeuger, Luftkanäle) bei Kampfflugzeugen und einmotorigen Kleinflugzeugen o Unterbringung von Fahrwerken

b) Beanspruchungen o Querkräfte, Biegemomente und Torsionsmomente aus Massen- und Luftlasten o Örtliche Kräfte und Momente: -

Flügelanschlüsse

-

HLW- und SLW-Anschlüsse

-

Fahrwerke

-

Außenlasten bei Kampfflugzeugen

-

Triebwerke (Schub- und Trägheitskräfte)

-

Massenkräfte der Nutzlasten und Ausrüstung

18

o Kräfte aus Innendruck

Der Kraftfluss in Umfangsrichtung einer kreisförmigen Druckkabine beträgt:

nt = ∆p ⋅ r nl =

(1.5-10a)

1 ⋅ ∆p ⋅ r 2

(1.5-10b)

nt

(Kesselformel)

nl

Druckhöhe [bar]

1

Verkehrsflugzeuge

2

Kampfflugzeuge

1,0

1 4 2

5 psi

0,5

8,25 psi

10

20 5

Diagramm 1.4

30

Flughöhe

40 10

50

[ ft · 10-3 ]

15

H [ km ]

Abhängigkeit der Druckhöhe von der Flughöhe

o Örtliche Differenzdrücke (z.B. Deckel) o Belastungen aus plötzlichen Druckänderungen -

Dekompression bei Passagierflugzeugen

-

“ Hammerschock “ in Lufteinlaufröhren

19

1.5.3. HÖHEN- UND SEITENLEITWERKE a)

Aufgaben o Steuerung und Trimmung um die Nick- (Quer-) bzw. Gierachse (Hochachse) o Natürliche oder reglergesteuerte Stabilisierung o Steuerung und Trimmung um die Rollachse (Längsachse) bei Kampfflugzeugen. Die Höhenflossen können differentiell ausgeschlagen werden.

b)

Beanspruchung o Querkräfte, Biegemomente Massenkräfte) -

und

Torsionsmomente

Luftkräfte

(

und

Größenordnung der maximalen HLW-Last

FHLW ≈ 1− 3 G -

durch

(1.5-11)

Größenordnung der maximalen SLW-Last

FSLW ≈ 0,3 −1G

(1.5-12)

o Örtliche Beanspruchungen durch Ruder und Betätigungsmechanismen o Örtliche Druck- und Saugkräfte

Die Drücke sind von der gleichen Größenordnung wie bei den Flügeln o Beanspruchung durch Schall o Beanspruchung durch Propellerdrall (Vibrationen)

20

1.6.

AUFGABEN DER FLUGZEUGE

o Transportaufgaben -

Personentransport

• Linienflüge mit regelmäßigem Flugplan • Charterflüge vor allem für Urlaubsflüge • Geschäftsreisen (allgemeine Luftfahrt) -

Gütetransport

• POST • dringend benötigte Ersatzteile • schnell verderbliche Waren

o Spezialaufgaben -

Sport, Hobby (Motor- und Segelflug)

-

schnelle Unfallhilfe (Hubschrauber)

-

Krankentransport

-

Transport von Medikamenten

-

Vermißtensuche und Rettung (Hubschrauber)

-

Straßen- und Grenzüberwachung (Polizei)

-

Erderkundung, Luftvermessung (auch Archäologie)

-

landwirtschaftliche Aufgaben (Sprühen)

-

Löschen von Waldbränden

-

Spezialmontage (z.B. Hochleitungen im Gebirge)

-

Versorgung (Bohrinsel, Berghütten)

21

o Militärische Aufgaben -

Aufklärung des Geländes eines potentiellen Gegners im Frieden durch Flüge über eigenem oder neutralem Gebiet, im Falle eines Krieges auch durch Überfliegen des gegnerischen Geländes.

• Land • Luft • See • Elektronische Aufklärung -

Angriff aus der Luft (Bombermission)

-

Abfangen von feindlichen Flugzeugen, Schutz eigener Flugzeuge (Jägermission)

-

Transport von Soldaten und Material

-

Elektronische Störung (Eloka)

-

Verbindung

-

Schulung

-

Hubschrauberaufgaben

• Verbindung • Transport • Panzerabwehr • Such und Rettung (SAR)

22

1.7.

DIE DREI GRUNDFORDERUNGEN Sicherheit, Kosten, Leistung

1.7.1. SICHERHEIT Die Gewährleistung der Flugsicherheit ist oberstes Gebot. Für ihre Gewährleistung werden bei der Entwicklung, Fertigung und bei der Nutzung eine ganze Reihe von Maßnahmen durchgeführt. o Durch Vorschriften festgelegte Sicherheitsfaktoren -

Struktur :

Bruchlast

≥

1,5

Betriebslast

-

Aerodynamik:

Landegeschw.

≥

1,3

Überziehgeschw.

-

Aerolastik:

Flattergeschw.

≥

1,15

Maximalgeschw.

-

Stabilität:

(xN – xS)

≥

0,04

lµ

o Nachweisversuche

Systemprüfstände

Flugeigenschaften

Bruchversuch

Lasten

Ermüdungsversuch

Flattern

Flugversuche

Leistungen

o Entwurfsphilosophien und Fehleranalysen

Struktur:

- Safe Life - Fail Safe - Damage Tolerance

Systeme:

- Redundanz - Notsysteme

o Aufwendige Kontrollen und Dokumentation bei der Fertigung o Genaue Festlegung der Wartungs- und Kontrollverfahren während der Nutzung o Luftüberwachung

23

o Schulung und Überwachung aller Beteiligten inklusive des Trainings der Verfahren in Notsituationen o Genaue Analyse der Ursache von Unfällen

1.7.2. KOSTEN Die Kosten spielen sowohl bei zivilen als auch bei militärischen Flugzeugsystemen eine immer größere Rolle. Zu beachten ist hierbei, dass die meisten Kosten nur in einem sehr frühen Zeitpunkt stärker beeinflussbar sind. Hier einige Negativbeispiele für Kostentreiber o Überspezifikation o schlechtes Montagekonzept o wartungsunfreundliche Konstruktion o schlechter Korrosionsschutz

Die Kosten für die drei Phasen eines Waffensystems teilen sich wie folgt auf: -

Kosten für die Entwicklung

1

-

Kosten für die Beschaffung

3-4

-

Kosten für den Betrieb und die Erhaltung

5-6

Die Summe aller anfallenden Kosten werden als “ Life Cycle Kosten “ des Waffensystems bezeichnet. Obwohl es mehrere Kostenbegriffe gibt (Flyaway-, Gerätestück- und Gerätesystempreis), die oft fälschlicherweise zu absoluten Kostenvergleichen herangezogen werden, sind volkswirtschaftlich nur die Life-CycleKosten entscheidend. Ein Fluggerät mit hohem Gerätestückpreis, aber hoher Zuverlässigkeit, ist am Ende billiger als ein Gerät mit niedrigem Stückpreis, aber hohen Betriebskosten.

24

1

Flyawaypreis

Zelle, allgemeine Ausrüstung, Avionik, Triebwerk und Managementkosten

2

Gerätestückpreis ( 1,2 ⋅ 1)

1 plus Mehrwertsteuer, Zölle, Kosten für Serienreifmachung

3

Gerätesystempreis ( 1,5 ⋅ 2 )

2 plus Technische Beratung, Dokumentation, Transport, Verpackung, Änderungen, Boden-, Prüfund Ausbildungsgeräte, Ersatzteilgrundausstattung

Kosten

Max Gewinn Min DOC Min Kraftstoff KN Kraftstoff (Landegebühren) DOC

Abschreibung IOC

Allgemeine Kosten Buchung Abfertigung

Flugstrecke Blockgeschwindigkeit

Abbildung 1.6

Betriebskosten ziviler Flugzeuge

25

1.7.3. LEISTUNGEN

Unter Leistungen sollen hier nicht die klassischen Flugleistungen verstanden werden, sondern übergeordnete Begriffe wie z.B. o Nutzen

(Rettung)

o Effektivität

(Waffensystem)

o Wirtschaftlichkeit

(Transportsystem)

Die klassischen Flugleistungen spielen hierbei natürlich eine zwar unterschiedliche aber immer wichtige Rolle (Concorde!). Wichtige Größen für Transportflugzeuge sind: -

Transportarbeit

= Nutzlast x Reichweite

-

Transportleistung = Nutzlast x Reichweite/Zeit

-

auf Kraftstoff bezogene Transportarbeit

Airbus A 320 Triebwerk: Schub:

Nutzlast [ 1000lb/t ]

2x CFM56-5 oder V2500 2x 25 000 lb

Nutzlast [ t] 25

50 40 30 20

15 10 5

0

0

41 309 kg (CFM 56) 41 749 kg ( V 2500)

Max. Nutzlast :

19 052 kg (CFM 56) 18 806 kg (V 2500)

Max. Abfluggew.: Max. Landegew.:

77 020 kg 65 998 kg

MTO W 73,5 t/1 83 0 00 l b

20

10

Leergewicht :

150 Passagiere und Gepäck

0

1000

Reserven: 200 NM 45 min hold in 5000 ft 5% Streckenflug

2850 nm

2000 Reichweite [ NM ]

Diagramm 1.5

ISA - Tag

3000

4000

Reichweiten-Nutzlastdiagramm

26

[ daN ]

Kraftstoffverbrauch

40 000

30 000

8M M 0,7 4 t f 8 , 0 t0 00 0f 33 0 0 25

20 000

10 000

0 0

500

1000

1500

2000

2500

Reichweite [ NM ]

Diagramm 1.6

1000

100

Nutzlast to - Meilen / Gallone

500

Kraftstoff-Reichweitendiagramm

Supertanker Zug

Fracht Bus

100

10

50

Zug A 300

LKW 10

1

Passagiere

Luftschiff

Containerschiff

B 747

europäisches Auto

5 US Auto

L 1011 Concorde

1

0,1

0,5

0,1 10

50

100

500

1000

Reisegeschwindigkeit - MPH Diagramm 1.7

Auf Kraftstoff bezogene Transportarbeit

Um gewinnbringend fliegen zu können, müssen viele Flugstunden pro Tag geflogen werden. Dies bedeutet unter anderem, dass das Flugzeug sehr zuverlässig und wartungsfreundlich sein sollte. 27

Fh / Tag 16 B 747-400

14

A 340

12

B 747-200

10 A 320

8

A 319

A 300-600

A 310 A 321

6

B 737

4 1995

1996

1997

1998

1999

2000

Jahr Ausnutzung der Flotte Diagramm 1.8

Ausnutzung der Lufthansa – Flotte

28

1.8.

DIE BEWERTUNG VON ALTERNATIVEN

Im Laufe einer Entwicklung eines Flugzeuges muß auf den verschiedensten Gebieten aus einer Zahl von verschiedenen alternativen Lösungen ausgewählt werden, mit der dann weitergearbeitet wird. Mit anderen Worten: es müssen weitreichende Entscheidungen getroffen werden. Ein Hilfsmittel kann eine Bewertung nach verschiedenen und unterschiedlich wichtigen Kriterien sein. Kriterien für die Bewertung können z. B. sein: -

Gewicht

-

Kosten

-

Sicherheit

-

Entwicklungsrisiko

-

Verfügbarkeit

-

Entwicklungszeit

-

Austauschbarkeit

-

Inspizierbarkeit

-

Damage Toleranz

-

Korrosionsanfälligkeit

-

Brandverhalten

-

Wartbarkeit

-

Zuverlässigkeit

-

Einbauvolumen

-

Lebensdauer

-

Normung

Tabelle 1.2 Bewertungskriterien

Die einzelnen Kriterien werden gewichtet: 0 < W 

- 2,5

- 3,0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

x/l Abbildung 2.11

CP in Abhängigkeit von Ca bzw.

α

Eine Analyse der Diagramme bestätigt die Gleichung (2.2-5) . Außerdem kann für den linearen Bereich der Funktion Ca = f ( α ) geschrieben werden Ca =

dC a (α −α 0 ) dα

α 0 : Nullanstellwinkel

(2.2-15)

Für den Widerstandsbeiwert gilt (Strömung mit Reibung)

C W = C W Min + k P C a2

k P : Faktor des Profil-

(2.2-16)

auftriebswiderstands o

Einfluss der Machzahl Am Profil sind gegenüber der freien Strömung Übergeschwindigkeiten vorhanden, die größer werden mit -

größerer relativer Profildicke und

-

größerem Anstellwinkel (Ca)

Bei einer bestimmten Flugmachzahl (Makr) entsteht am Überschallgeschwindigkeit mit nachfolgendem Verdichtungsstoß.

Profil

eine 46

M=

M∞ < 1

1

M>1

M1

M∞ < 1

M1

M∞ < 1

M1 M=

1

(c) Abbildung 2.12

Profil in transsonischer Strömung

Für den kritischen Druckbeiwert gilt :

C P kr

2 = κ Ma 2kr

C P kr ≈

κ   2  κ −1 2  κ −1 + − ( 1 Ma ) 1   kr  2   κ +1 

2 Ma 2kr −1 κ +1 Ma 2

Ma kr ≈ (1−

κ +1 2

C Pkr )

−

1 2

(2.2-17)

0,75