Aerodynamik

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V 0.2.1

 Prolog

Aerodynamik ist ein hochkomplexes Fach, das man aus gutem Grunde als Fach an den technischen Universitäten findet. Das vorliegende Skript kratzt hier nur an der Oberfläche. Es wird nur erklärt, was zu wiessen für den sicheren Betrieb von Luftfahrzeugen notwendig ist.

Inhalt

Die Atmosphäre

Zusammensetzung und Aufbau

ICAO-Standardatmosphäre

Atmosphärischer Druck

Umströmung eines Körpers, Unterschallbereich

Luftwiderstand und Luftdichte

Grenzschicht

Reibungskräfte

Laminare und turbulente Strömung

Bernoulliesche Gleichung – Venturi-Effekt

Entscheidend für das Verständnis des Auftriebs ist es, den Venturi-Effekt
zu kennen und zu verstehen.

Betrachten wir zunächst ein Stück Schlauch. Pumpt man nun in diesen Schlauch an einem Ende eine bestimmte Menge Flüssigkeit (oder Gas) pro Zeiteinheit hinein, so wird an dessen anderem Ende die selbe Menge in der selben Zeit wieder hinausbefördert. Soweit ist die Betrachtung trivial. Verjüngt man nun den Schlauch zwischen den beiden Enden, so macht man die selbe Beobachtung. Was bdeutet dies nun für die Stelle, an der der Schlauch dünner wird? Hier muss pro Zeiteinheit mehr Flüssigkeit hindurch. Das führt dazu, dass sich die Stömungegeschwindigtkeit der Flüssigkeit erhöht und damit gleichzeitig ihr Druck abnimmt.

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Bernoulli formulierte die zugehörige Gleichung, die besagt, dass bei einem strömenden Fluid der Druck abnimmt, wenn die Geschwindigkeit zunimmt.

Umströmung eines zweidimensionalen Flügelprofils

Umströmung einer ebenen Platte

M_Strömung senkrechtes Brett M_Strömung Zylinder 2
M_Strömung Tragfläche revers M_Strömung Tragfläche 2

Umströmung eines gekrümmten Flügelprofils

Beschreibung des Tragflügelquerschnitts

Auftrieb und Widerstand

Beziehung zwischen Auftriebsbeiwert (Cl), Widerstandsbeiwert (Cd) und
Anstellwinkel

Dreidimensionale Umströmung eines Tragflügels

Tragflügelprofile und Flügelformen

Bei der Formgebung einer Tragfläche wird das Prinzip aus dem Venturi-Effekt aufgegriffen. Sie wird so geformt, dass Luft, die von vorne gegen die Tragfläche strömt, über die Oberseite der Tragfläche einen längeren Weg hat, als über die Unterseite. Nun passiert das selbe, wie in der Versuchsanordnung von oben. Die Luft, die über die Tragfläche strömt wird beschleunigt. Diese Beschlunigung sorgt für einen Unterdruck auf der Oberseite der Tragfläche. Die Tragfläche wird also nach oben gesogen.

Induzierter Widerstand

Abwindwinkel (downwash angle), Wirbelwiderstand, Bodeneffekt

Flügelstreckung

Schädlicher (Flügelprofil-)widerstand

Formwiderstand, Reibungswiderstand und Interferenzwiderstand

Verhältnis Auftrieb/Widerstand

Kräfteverteilung am Flugzeug

Gleichgewicht und Kräftepaare

Während des Fluges wirken vier Kräfte auf das Flugzeug: Der Auftrieb, die Schwerkraft, der Widerstand und der Schub. Im unbeschleunigten Horizontalflug sind diese Kräfte alle gleichgroß. Der Schwerkraft unterliegen alle Körper auf der Erde, der Widerstand entsteht durch das Bewegen eines Körpers durch die Luft, diese beiden Komponenten sind uns also durch die Natur vorgegeben. Schub und Auftrieb werden künstlich erzeugt. Den Schub erzeugt der Motor mittels seines Propellers, den Auftrieb erzeugen die Tragflächen aufgrund ihrer Form.

Auftrieb
Schub Flugzeug Widerstand
Schwerkraft

Auftrieb und Masse

Schub und Luftwiderstand

Kräftewirkungen in gleichförmigen Flugzuständen (Horizontal-, Steig-, Gleit- und Kurvenflug)

Steuerungsanlagen

Die drei Hauptachsen

Nicken um die Querachse

Rollen um die Längsachse

Gieren um die Hochachse

Wirkung des Höhen- und Seitenruders und der Querruder

Steuerung bei Nick-, Roll- und Gierbewegungen

Zusammenhang von Rollen und Gieren (z.B. Seitengleitflug, Seitenwindsteuertechnik für die Landung)

Aerodynamischer Ausgleich und Masseausgleich von Steuerflächen

Trimmsteuerung

Trimmruder, Ausgleichsruder und Gegenausgleichsruder

Aufgabe und Funktionsprinzip

Bedienung

Landeklappen und Vorflügel

Wölbungs-, Spreiz-, Spalt-, Zap- und Fowler-Klappen

Wölbungsklappe Spreizklappe
 Wölbungsklappe  Spreizklappe
Spaltklappe Zapklappe
Spaltklappe Zapklappe
Fowlerklappe
Fowler

Aufgabe und Funktionsprinzip

Betrieblicher Einsatz

Vorflügel, Klappen an der Flügelvorderkante

Aufgabe und Funktionsprinzip

Normaler/automatischer Betrieb

Strömungsabriss

Kritischer Anstellwinkel

Störung der glatten Anströmung

Verringerung des Auftriebs, Erhöhung des Luftwiderstandes

Verschiebung des Druckpunktes

Anzeichen für beginnenden Strömungsabriss

Flugzeugeigenschaften bei Strömungsabriss

Einflussgrößen für die Abreißgeschwindigkeit und das Verhalten des Flugzeugs bei Strömungsabriss

Strömungsabriss bei Horizontal-, Steig-, Sink- und Kurvenflug

Möglichkeiten von Überziehwarnungen und Überziehwarnanlagen

Beenden des überzogenen Flugzustandes

Vermeiden von Trudeln

Strömungsabriss an den Flügelspitzen

Entstehung einer Rollbewegung

Erkennen von beginnendem Trudeln

Ausleiten des Trudelns

Stabilität

Begriffsbestimmungen der statischen und dynamischen Stabilität

Längsstabilität

Einfluss der Schwerpunktlage auf die Steuerung bei Bewegung um die Querachse

Quer- und Richtungsstabilität

Beziehung zwischen Quer- und Richtungsstabilität

Lastvielfaches und Abfangmanöver

Festigkeitsüberlegungen

V-n-Diagramm einschließlich Böen

Belastungsgrenzen, mit und ohne Landeklappen

Veränderung des Lastvielfachen im Kurvenflug und beim Hochziehen

Höchstzulässige Geschwindigkeit für vollen Ruderausschlag

Vorsichtsmaßnahmen während des Fluges

Belastungen am Boden

Seitliche Belastungen auf das Fahrwerk

Landung

Rollen, Vorsichtsmaßnahmen bei Richtungsänderungen

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