Flugmechanik und Flugregelung von Luftschiffen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine geschlossene algebraische Modellierung der Flugmechanik von Luftschiffen entwickelt und im Rahmen analytischer und numerischer Untersuchungen angewendet. Die Resultate geben eine allgemeine Einsicht in die flugmechanischen Eigenschaften von Luftschiffen und werden in den Entwurf einer Flugreglerstruktur umgesetzt. Neben der Darstellung der Gewichts- und Schubkräfte werden die aerostatischen und thermodynamischen Zusammenhänge dargestellt. Der Schwerpunkt der Modellierung liegt jedoch bei der halbempirischen Beschreibung der aerodynamischen Kräfte: Die Rumpfumströmung wird über einen Potentialströmungs- und einen Querströmungsansatz, die Leitwerke mit Hilfe der Traglinientheorie und einem Querströmungsansatz modelliert. Das resultierende verteilte Aerodynamikmodell kann lokale Anströmungsbedingungen infolge stationärer und instationärer Windfelder berücksichtigen. Es wird detailliert mit der Lösung nach der Theorie schlanker Körper verglichen. In der Modelldiskussion wird auf besondere Eigenschaften der Luftschiffaerodynamik, wie beispielsweise die scheinbare Masse Effekte, eingegangen und die Wirkung des Windes erläutert. Die flugmechanischen Untersuchungen behandeln sowohl Flugleistungsaspekte als auch Fragen der Manövrierbarkeit, Steuerbarkeit und Stabilität. Die wesentlichen Eigenschaften wie Steigleistung, Kurvenflugeigenschaften und Eigenbewegungsformen werden durch algebraische Beziehungen und einfache Diagramme dargestellt. Ihre Empfindlichkeit gegenüber Variationen der Modellparameter werden auch mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht. Abschließend wird gezeigt, welche Signalrückführungen die Luftschiffdynamik positiv beeinflussen und es wird eine einfache Reglerstruktur zur Regelung der Längs- und Seitenbewegung entwickelt.

This thesis presents a closed algebraic model of the flight mechanics of an airship. The model is applied for analytical and numerical studies to give an insight into the flight mechanical properties of airships. Based on this knowledge, a flight control concept is developed. The modeling part discusses the effects of weight and thrust as also of aerostatics and thermodynamics, but the emphasis is on the description of the aerodynamic model. The aerodynamics of the hull are modeled using potential flow and cross flow, whereas the empennage area is modeled by lifting line theory and cross flow. The resulting description is able to consider distributed flow conditions as they can be found in non-uniform steady as also unsteady windfields. Properties of airship aerodynamics are discussed with emphasis on the effect of apparent masses and wind. Flight performance as well as dynamical aspects like controllability and stability are then analysed. If possible, the properties are expressed with algebraic relations or simple diagrams. But also numerical simulation are used, e.g. to study the sensitivity to parameter changes. It is finally shown, how simple feedback structures influence the dynamics of the airship in a positive way. The schematics of a control system for the longitudinal and the lateral motion is presented.