Flugdynamik und Flugregelung (2094, 3, FT)

 

Modulnummer: 2094
ECTS: 3, FT

Qualifikationsziele

  • Die Studierenden verstehen die Aufgaben der Flugdynamik und Flugregelung und können das Wissensgebiet in den Kontext der luftfahrttechnischen Disziplinen einordnen.
  • Die Studierenden sollen die physikalischen Ursachen der auf das Flugzeug wirkenden Kräfte und vor allen Momente in der Längs- und Seitenbewegung kennen und diese in systematischer Weise anhand der Derivativschreibweise identifizieren können.
  • Die Studierenden sollen die Bewegungsdifferenzialgleichungen des Flugzeugs verstehen und deren Linearisierung um einen Bezugsflugzustand nachvollziehen können.
  • Die Studierenden sollen die typischen Eigenbewegungsformen eines konventionellen Flächenflugzeugs kennen und daran die dynamischen Stabilitätsbedingungen diskutieren können.
  • Die Studierenden sollen die Anwendung regelungstechnischer Methoden auf die Differenzialgleichungen der Flugzeugbewegung nachvollziehen können und anhand der Resultate das dynamische Übertragungsverhalten des Flugzeugs diskutieren können.
  • Die Studierenden sollen die wichtigsten Dämpfungs- und Regelkreise der Flugregelung mit Frequenzbereichsmethoden (Wurzelortskurvenverfahren) diskutieren können und anhand dessen die Eignung und die Eigenschaften bestimmter Rückführungen diskutieren können.

Inhalte

Die Studierenden erwerben im Modul “Flugdynamik und Flugregelung I.” das luftfahrttechnische Wissen zur Beschreibung und Analyse des dynamischen Verhaltens aerodynamisch getragener, konventioneller Flächenflugzeuge, sowie dessen Modifikation durch Flugregelsysteme einschließlich grundlegender Autopilotfunktionen. Hierzu zählen im Einzelnen die folgenden Inhalte:

  • Die Studierenden erhalten einen Überblick über die Ziele und Aufgaben der Flugdynamik und Flugregelung, die Einordnung des Fachgebiets in die Disziplinen der Luftfahrttechnik und die Bedeutung in den Wirkungsschleifen der Flugführung.
  • Die Studierenden werden mit den in der Flugzeuglängsbewegung wirkenden Kräften und Momenten vertraut gemacht. Dabei werden aus den verschiedenen Flugzuständen resultierenden Einflüsse untersucht und in der Schreibweise der aerodynamischen Derivative dargestellt. Dabei werden im Einzelnen die folgenden Aspekte behandelt:
    • Anstellwinkel- und Höhenrudereinfluss auf das Nickmoment
    • Nickdämpfung und Manöverpunkt
    • Weitere Derivative des Nickmoments, des Auftriebs und des Widerstands
  • Die Studierenden werden mit den in der Flugzeugseitenbewegung wirkenden Kräften und Momenten vertraut gemacht. Dabei werden die aus den verschiedenen Flugzuständen (z.B. Schieben, Gieren, Rollen) resultierenden Einflüsse von Flügel, Leitwerken und Rumpf untersucht und in der Schreibweise der aerodynamischen Derivative dargestellt. Dabei werden im Einzelnen die folgenden Aspekte behandelt:
    • Windfahnenstabilität und weitere Derivative der Gierbewegung (z.B. Gierdämpfung, Giersteuerung, Seitenkraft)
    • Derivative der Rollbewegung (z.B. Rolldämpfung, Rollsteuerung)
    • Kopplungsmomente (z.B. Schiebe-Rollmoment, Roll-Giermoment)
  • Die Studierenden erhalten einen detaillierten Einblick in die Herleitung der nichtlinearen Bewegungsdifferenzialgleichungen der Flugzeuglängsbewegung ausgehend von den Newtonschen Gesetzen. Sie werden mit dem Konzept der Linearisierung vertraut gemacht, welches am Beispiel des horizontalen unbeschleunigten Geradeausflugs dargestellt wird. Analog wird die Flugzeugseitenbewegung behandelt.
  • Die Studierenden lernen die Anwendung regelungstechnischer Konzepte (z.B. Zustandsraumdarstellung, Analyse der Eigenwerte, dynamische Stabilität) auf die linearen Bewegungsdifferenzialgleichungen und analysieren auf diese Weise die typischen Eigenbewegungsformen des konventionellen Flächenflugzeugs (Anstellwinkelschwingung, Phygoide, Taumelschwingung, Rollbewegung und Spiralsturz) im Hinblick auf Stabilität, Eigenfrequenz und Dämpfung.
  • Die Studierenden lernen den Übergang der Derivativschreibweise auf die in der Flugregelung üblichen Ersatzgrößen kennen und werden auf Basis der Zustandsraumdarstellung der Bewegungsgleichungen und deren Lösung mittels der Laplace-Transformation mit der Berechnung von Einzelübertragungsfunktionen der Längs- und Seitenbewegung des Flugzeugs vertraut gemacht.
  • Anhand der Pol-/Nullstellenkonfiguration entsprechender Übertragungsfunktionen lernen die Studierenden die Reaktionen des Flugzeugs auf bestimmte Steuereingaben kennen (z.B. Allpassverhalten).
  • Die Studierenden lernen die wichtigsten automatischen Steuerungsarten, wie Vorgaberegelung (“Fly-by-wire”) und Autopilot kennen.
  • Die Studierenden lernen die wichtigsten Eingrößen-Rückführungen in der Flugzeuglängs- und -seitenbewegung kennen und diskutieren diese anhand der Wurzelortskurvenmethode in der komplexen Zahlenebene. In diesem Zusammenhang sind z.B. der Nick- und Gierdämpfer, der Nicklageregler und ggf. auch der Höhenregler auf Basis sequenzieller Kreisschließung zu nennen.

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