Table Of ContentHochschultext
x.
Hafer · G. Sachs
Flugmechanik
Moderne Flugzeugentwurfs
und Steuerungskonzepte
Zweite, berichtigte und erganzte Auflage
Mit 161 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg GmbH 1987
em. o. Praf. Dr.-Ing. XAVER HAFER
Fachgebiet Flugtechnik
Technische Hochschule Darmstadt
o. Prof. Dr.-Ing. GOTTFRIED SACHS
Lehrstuhl fUr Flugmechanik und Flugregelung
Technische Universităt MUnchen
ISBN 978-3-540-18345-7
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Hafer, Xaver:
Flugmechanik: moderne Flugzeugentwurfs-u. Steuerungskonzepte/X. Haver; G. Sachs.
2., bericht. u. erg. Aufl.
(Hochschultext)
ISBN 978-3-540-18345-7 ISBN 978-3-662-07261-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07261-5
NE: Sachs, Gottfried:
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschUtzt. Die dadurch begrUndeten Rechte, ins
besondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von
Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, derMikroverfilmung oder derVervielfăI
tigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
biei ben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfăltigung
dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen
der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik
Deutschland vom 9.September1965 in der Fassung vom 24.Juli1985 zulăssig. Sie ist
grundsătzlich vergUtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbe
stimmungen des Urheberrechtsgetzes.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1980 and 1987
Ursprunglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1987
Die Wiedergabevon Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
daB solche Namen im Sin ne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als
frei zu betrachten wăren und daher von jedermann benutzt werden dUrften.
Sollte in diesem Werk direktoderindirektaufGesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B.
DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiertworden sein, so kann der Verlag
keine Gewăhr fUr Richtigkeit, Volistăndigkeit oder Aktualităt Ubernehmen. Es empfiehlt
sich, gegebenenfalisfUrdie eigenen Arbeiten dievolistăndigen Vorschriften oder Richt
linien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen~
2362/3020-543210
Vorwort zur zweiten Auflage
In den etwa 7 Jahren seit Erscheinen der ersten Auflage dieses
Buches ist ein Teil der dort behandelten MaBnahmen zur Verbesse
rung der Wirtschaftlichkeit der Flugzeuge bereits mit der Ein
ffihrung der neuen Generation von Strahlverkehrsflugzeugen (z.B.
Airbus A 310) in der Praxis erfolgreich verwirklicht worden.
Weitere Entwicklungen in dieser Richtung sind in der Vorbereitung,
fiber die einige Erlauterungen erganzend in das Buch aufgenornrnen
worden sind.
Im fibrigen hat das Buch noch nichts an Aktualitat eingebfiBt, so
daB es vertretbar erscheint, den Text in der bisherigen Form zu
fibernehmen. Dies hat auBerdem den Vorteil, die Herstellungskosten
und damit den Verkaufspreis des Buches so niedrig wie moglich zu
halten.
Darmstadt und Munchen, im Juni 1987 x. Hafer G. Sachs
Vorwort zur ersten Auflage
Der Luftverkehr erlebte in den vergangenen 20 Jahren seit der Einffih
rung der Strahlverkehrsflugzeuge einen ungewohnlichen Aufschwung, wie
er kaurn in einem anderen Wirtschaftszweig zu beobachten war. Gleich
zeitig wurden die Flugzeuge standig in ihrer Wirtschaftlichkeit, ih
rem Passagierkomfort, ihrer Sicherheit und besonders auch in ihrer
Larmausbreitung verbessert. Aber auch mit der Einffihrung der GroBraum
flugzeuge und insbesondere des erfolgreichen europaischen Airbusses
ist ein Ende dieser Entwicklung noch nicht abzusehen. Die Notwendig
keit zur Einsparung von Energie im Luftverkehr zwingt dazu, aIle Mog
lichkeiten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ffir die zuklinftige
Generation der Verkehrsflugzeuge auszuschopfen. Hierzu leistet die in
VI Vorwort
Vorbereitung befindliche Anwendung eines neuen aerodynamischen Fltigel
konzepts, des superkritischen Fltigels, einen wichtigen Beitrag. Auch
die als "Aktive Steuerungstechnologie" oder "CCV-Technologie" bekann
ten Entwurfskonzeptionen, wie die ktinstliche Stabilisierung des Flug
zeugs, direkte Kraftsteuerungen, aktive Steuerflachen am Fltigel zur
Reduzierung der statischen und dynamischen Lasten oder auch die auto
matische Anpassung des Fltigelprofils an den jeweiligen Optimalwert
(auch im Zusarnrnenhang mit der vollen Ausnutzung der superkritischen
Profileigenschaften), verandern die Voraussetzungen, die bisher bei
der flugmechanischen Auslegung eines Flugzeugs zu beachten waren. Die
mit den oben genannten Stichworten zusarnrnenhangenden Probleme wurden
zwar in vielen Syrnposien diskutiert, und im Fachschrifttum ist eine
sehr groBe Zahl von Arbeiten zu den einzelnen Fragen erschienen. Es
fehlt jedoch eine ausftihrliche und nachvollziehbare Behandlung dieser
neuen flugmechanischen Probleme in einer zusarnrnenfassenden Darstellung.
Die Verfasser haben sich zur Aufgabe gestellt, mit dem vorliegenden
Buch einen Beitrag zur SchlieBung der offensichtlich vorhandenen Lticke
zu liefern.
Die Veroffentlichung des Buches in der einfachen Ausstattung der Rei
he "Hochschultexte" des Springer Verlages wurde bewuBt gewahlt, urn
den Preis maBig zu halten und den interessierten Studenten der Flug
technik den Kauf zu ermoglichen. Allerdings geht der Inhalt des Bu
ches weit tiber den tiblichen Vorlesungsstoff hinaus und richtet sich
insbesondere an die jtingeren Ingenieure in der Praxis, urn ihnen eine
Einftihrung in die Probleme der flugmechanischen Auslegung der Flug
zeuge neuer Te.chpologie zu geben.
Ebenfalls aus Kostengrlinden wurden die Bildvorlagen und der buchfer
tige Textsatz im Institut ftir Flugtechnik der Technischen Hochschule
Darmstadt hergestellt. Unser besonderer Dank gilt dabei Frau K. Tirnrn,
die die umfangreichen Zeichen- und Schreibarbeiten mit groBer Sorg
faIt ausftihrte.
Besonderer Wert wurde auch darauf gelegt, dem interessierten Leser
eine Auswahl des wichtigsten, in Fachzeitschriften und in Berichten
erschienenen Schriftturns anzubieten, die jedem der drei Buchteile am
SchluB angeftigt ist und auf die im Text Bezug genornrnen wird.
Darmstadt und Mtinchen, im Januar 1980 x. Hafer G. Sachs
Inhaltsverzeichnis
Einfuhrung
Entwurfsrnerkrnale von Flugzeugen naturlicher und kunstlicher
Stabili tat ..•.......•..............•....•.................... 7
1 . 1 Uberblick ......•.........•......••....................... 7
1.2 Leitwerksauslegung .•.....•.....•.•.....................•. 8
1.2.1 Leitwerksauslegung bei naturlicher Stabilitat ...... 8
1.2.2 Leitwerksauslegung bei Verzicht auf naturliche
Stabilitat ......•..............•.•................. 14
1.2.3 Zusatzliche Bedingungen fur die Leitwerksauslegung. 24
1.3 Getrirnrnter Widerstand ....•......•......•......••......... 30
1.3.1 Allgerneines .•....................•................. 30
1.3.2 Getrirnrnter Wider stand des Gesarntflugzeugs .......... 31
1.3.3 Getrirnrnter Minirnalwiderstand ••....•................ 35
1.3.4 Widerstandsoptirnale Schwerpunktlage ..•..••......... 46
1.3.5 Zuordnung von widerstandsoptirnaler Schwerpunktlage
und naturlicher Stabilitatsgrenze ............•..... 52
1.3.6 Anpassung der widerstandsoptirnalen Schwerpunktlage
an den zulassigen Bereich bei kunstlicher Stabilitat 65
1.4 Getrirnrnter Maxirnalauftrieb ..•.......•......•............. 70
1.4.1 Allgerneines .......•.....•.•........................ 70
1.4.2 Absolut greEter Auftrieb .....•..................... 72
1.4.3 Auftriebsoptirnale Schwerpunktlage .•..•.......•...•. 72
1.4.4 Auftriebsoptirnaler Schwerpunktbereich .....•........ 77
1.4.5 Zuordnung zurn widerstandsoptirnalen Schwerpunkt-
bereich und zu den Steuergrenzen ................•.. 80
1.5 Dynarnik des ungeregelten, instabilen Flugzeugs .....•..... 83
1 .5. 1 Allgerneines •...•.•••......•.•........•....•........ 83
1.5.2 Aerodynarnische Beiwerte und Stabilitatsderivative .. 84
1.5.3 Bewegungsgleichungen ..•...•..••...•..........•..... 93
1.5.4 Eigenbewegungsforrnen des Flugzeugs .•........•..•... 98
Literatur 115
VIII Inhaltsverzeiehnis
2 Direkte Kraftsteuerung •...••..•.•••••.••••.••.••.•.••..•...••• 119
2 • 1 Uberbl iek ••.•••.••••.•...•...••••••.•..•••.••..••......•.. 11 9
2.2 Direkte Auftriebssteuerung ..••.•.•••••..••••••.••••...••.. 122
2.2. 1 Allgemeines ••.•.•.•.•••••..•.....••..•.••.••••.•• " 122
2.2.2 Konventionelle Bahnsteuerung mittels Hohenruder-
betatigung •••..••.•.•.•••..•.••..•..•.......•...••• 122
2.2.3 Mogliehkeiten zur Erzeugung direkter Auftriebs-
anderungen •...•...•.•••.••.••••..•••....••...•..... 130
2.2.4 Angriffspunkt der direkten Auftriebsanderung •....•. 133
2.2.5 Empfindliehkeit des Lastfaktors gegenliber Sehwer-
punktversehiebungen •••.•••••.•...•.......••......•. 139
2.2.6 Langzeit-Auftriebsbeeinflussung •.•..•••..•..•...••. 143
2.2.7 Uberzieheharakteristik ••••...•••..•..•••••......••. 151
2.2.8 Automatisehe Anpassung des Auftriebsangriffspunkts . 155
2.2.9 Langzeit-Flugbahnstabilitat ..•.....••.••....•..•.•. 157
2.2.10 Ubergangs-Zeitverhalten .•••..•••.•••••.•••..•.•.••. 165
2.2.11 Weitere Anwendungsmogliehkeiten der direkten Auf-
triebsbeeinflussung ..•...•...•..•..••..•••..••.••.. 167
2.2.12 EinfluB der Auftriebssteuerflaehen auf die Stabi-
litat ••....•.•••.••.••••••.••••..••..•.•..•.••.•.•. 170
2.3 Direkte Seitenkraftsteuerung ••..•.•••••••.....•••..••.•... 173
2.3.1 Seitliehe Bahnsteuerung •.•.•••..••••••••••..•...•.• 173
2.3.2 Erzielbare Kursanderungsleistung •.....•...•••.••... 175
2.3.3 Mogliehkeiten der Seitenkrafterzeugung .•••..•..•••. 182
2.3.4 Kopplungseffekte ...•••..•••..•.•..•.•..•......••... 187
2.3.5 Angriffspunkt derdirekten Seitenkraft ...•.•....... 189
2.3.6 Drei-Freiheitsgrad-Betraehtung ..•.••.•..•.•....•... 193
2.3.7 Weitere Anwendungsmogliehkeiten der direkten Sei-
tenkraftsteuerung •..••...•..••..•.••••..•.••••.••.. 198
2.3.8 Seitenwindlandung ..•.•..••••.•..•.•••...•.••.••.••. 199
2.3.9 EinfluB der Seitenkraftsteuerflaehen auf die Sta-
bili tat ...•.••..•..••••.•••..••.•..•.••....••••••.• 204
2.4 Direkte Widerstandssteuerung •..••.••••.••.••.••••..•..•.•. 213
Li teratur ..•••••••.••••••••.•••.•..••.•••••.•.••.••••..•••...• 216
3 Weitere Anwendungsmogliehkeiten der aktiven Steuerungsteeh-
nologie ••••••••••..••••.••••.•.•••.••.••..•..•••.....•••...•.. 221
3.1 Uberbliek ••••••.•••••.•....••..•.••.•.•.......•......•...• 221
3.2 Klinstliehe Seitenstabilitat ••.•••••••••••.•••••••.••.••••• 221
Inhaltsverzeichnis IX
3.2.1 Stabilitats- und Trimrnforderungen •.••••.•.•••••.•.• 221
3.2.2 Flug mit hohem Anstellwinkel und tiberschallbereich • 223
3.3 Automatische Manoverklappen, Variable FIUgelwolbung •••.•.• 226
3.3. 1 Flugleistungsbetrachtung. • . • . • . . • • • • . . • • . . . • . • . • • •. 226
3.3.2 Wider stand und Auftrieb .••..•.••••••..•.•••..•.•..• 229
3.3.3 Anwendung bei Unterschall-Verkehrsflugzeugen •..•••• 232
3.4 Manoverlaststeuerung •.•..••..•.•.•.........•...•..•...•••. 236
3.4.1 Anwendungsmoglichkeiten •••••.••....••......•...•..• 236
3.4.2 Nachteile der Lastverschiebung zur FIUgelmitte .•..• 240
3.4.3 Manoverlaststeuerung fUr sehr groBe Flugzeuge ....•. 242
3.5 Boenabminderung .••.••••.••.••••••••••.•••••.•..•.••••••••• 243
3.5.1 Anwendungsmoglichkeiten .••.••...••.•.•.•••.•••.••.• 243
3.5.2 Verringerung der Strukturbelastung .•.•..••.•••.•••• 243
3.5.3 Verringerung der Pilotenbelastung •..•...•.•....••.. 244
3.5.4 Erhohung des Passagierkomforts ..•.•..•••..•..•..•.. 245
3.6 Aktive FlatterunterdrUckung •••.••••••.••••••..••••.••••••• 248
Li teratur •••••..•••.•••.•••.•••.••.•.••.•..••.••..••.••....•.• 252
Anhang ..••••..•..••..••••••.•.••..•...••.••...••..•••..••..•••.. 257
A1 Interferenzwiderstand von FIUgel und Hohenleitwerk .••..... 257
A2 Verschiebung der widerstandsoptimalen Schwerpunktlage im
Manoverflug .•••..••.••...•...•..•.•••..•••••.•••••..•.••.. 261
Literatur .•.••.••••..••..•.••..•.•.••...•.•.••.••...••••.•.•.. 264
Sachverzeichnis ....•.•.•••.....•••••••••••••..••••.•.•••...•..•. 265
Zusammenstellung der FormelgroBen
Die Bezeichnungen des Normblattes LN 9300, Blatt 1 "Flugmechanik"
gelten auch hier. Die Thematik des Buches erforderte darUber hinaus
die EinfUhrung einer Reihe neuer GraBen und auch einige Besonderhei
ten in der Indizierung. Dabei ist die gelegentliche Benutzung ein und
desselben Symbols fUr verschiedene Begriffe nicht immer zu vermeiden.
Der Zusammenhang laBt jedoch stets die korrekte Bedeutung erkennen.
GroBbuchstaben
Symbol Bedeutung Einheit
A Auftrieb (ohne Index: Gesamtflugzeug) N
-1
Ableitung des Auftriebs nach der Geschwin Nsm
digkeit
-1
A Ableitung des Auftriebs nach dem Anstell N rad
(l
winkel
Koeffizient der charakteristischen Gleichung
Koeffizient der charakteristischen Gleichung
Auftriebsbeiwert (ohne Index: Gesamtflugzeug)
Auftriebsbeiwert des stationaren Fluges
Auftriebsbeiwert des minimalen, ungetrimmten
Wider stands bei unsymmetrischer Polare
Auftriebsanstieg (ohne Index: Gesamtflugzeug)
Anstellwinkelgeschwindigkeit-Auftriebsderi
vativ
-1
Nick-Auftriebsderivativ rad
Hahenruder-Auftriebsderivativ rad-1
Auftriebsderivativ der Auftriebssteuerflache rad-1
Rollmomentenbeiwert
-1
Schiebe-Rollmomentenderivativ rad
