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Erstellung und Optimierung der Skalierungsgesetze zur Abschätzung der Aerodynamik und der Eigendynamik eines Flugzeugs auf der Basis von frei fliegenden Modellen
(2007) Nguewo, Danyck; Voit-Nitschmann, Rudolf (Prof. Dipl. Ing.)
Die vorliegende Abhandlung behandelt die Definition der Skalierungsmethodik für Flugver-suche mit einem frei fliegenden Modellflugzeug zur Vorhersage der aerodynamischen und flugmechanischen Eigenschaften des Originalflugzeugs. Hauptziel ist hierbei die Festlegung der Voraussetzungen für zuverlässige Simulationsergebnisse. Das Erreichen des oben definierten Ziels führt im Idealfall zur Einhaltung aller Ähnlichkeits-parameter, die die Aerodynamik und das Flugverhalten beider Flugzeuge beeinflussen. In einer Durchführbarkeitsstudie werden die praktischen Grenzen dieser Hypothese aufbauend auf dem Demonstratormodell von VELA 2 analysiert. Außerdem wird in Anlehnung an die Statistik die zu erwartende Qualität der Simulationsergebnisse abgeschätzt. Bei kleinen Skalierungsfaktoren, so wie beim Projekt "Demonstratormodell" mit , werden in der Regel nicht alle Ähnlichkeitsparameter eingehalten. Grund dafür ist das prob-lematische Erreichen der Mach- und Reynolds-Zahl des Originalflugzeugs im Flugversuch mit dem Modell. Die Skalierung der Mach- und Reynolds-Zahl ruft Kompressibilitäts- und Reibungseffekten in der abgeleiteten Bewegungsgleichung hervor, die zu einer Verfälschung der Versuchsergebnisse führen. Zur Reduzierung dieser unerwünschten Effekte werden ver-suchstechnische und flugmechanische Ansätze erarbeitet. Die versuchstechnischen Optimierungsansätze werden in Kapitel III durch die Festlegung des Geschwindigkeitsbereichs und der Flughöhe des Originalflugzeugs definiert, die die besten Simulationsergebnisse liefern. Zur Definition der flugmechanischen Optimierungsansätze für das VELA 2-Modellflugzeug wird zunächst die Dimensionsanalyse basierten Ähnlichkeitsgesetze auf die Flugmechanik und speziell auf die Systemmatrix angewendet. Daraus resultiert die Theorie zur Ableitung der Bewegungsgleichung eines Flugzeugs (z. B. des Modells) von einer vorgegebenen (z. B. der Bewegungsgleichung des Originals) so, dass die beiden Gleichungen identische Bewe-gungsformen beschreiben. Der nächste Schritt besteht darin, die Bewegungsgleichung des Modells an die auf dieser Weise abgeleitete Bewegungsgleichung anzupassen. Dies geschieht, wie in Kapitel IV dargelegt, durch gezielte Veränderung von flugmechanischen Parametern (Schwerpunktlage, Lagewinkel etc.). Diese Optimierungsmaßnahmen ergeben sich aus einer detaillierten Studie der so genannten kausalen Ketten, in der sich eine Variation der Mach- oder Reynolds-Zahl auf die dimensionslosen Derivativa auswirkt, was zu einer Veränderung der Ersatzgrößen (Elemente der Systemmatrix) und damit der Eigendynamik des Flugzeugs führt. Ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Arbeit stellt die Entwicklung des Tools Fast Estima-tion of Design Parameters (FEDeP) dar (vgl. Anhang A). Hauptaufgabe dieses Programms ist es, den Entwurfsingenieur in der Vorbereitungsphase der Simulation mit einem frei fliegen-den Modell zu unterstützen. Dazu gehört neben der Implementierung der weiter oben be-schriebenen Theorien (Erstellung und Optimierung der Skalierungsgesetze sowie die Ermitt-lung der Kompressibilitäts- und Reibungseinflüsse auf die Flugeigenschaften) die Bereitstel-lung der Module zur Flugzeugdimensionierung und zur Visualisierung des Flugverhaltens in einer graphisch animierten Simulation.