Flugmechanik und Flugregelung von Luftschiffen

6 Zusammenfassung und Ausblick (S. 158-159)

Die Hauptbestandteile der vorliegenden Arbeit stellen die Entwicklung eines geschlossenen, konsistenten Aerodynamik- und Bewegungsgleichungsmodells, sowie dessen flugmechanische Auswertung dar. Das aerodynamische Modell berücksichtigt die stationäre und die beschleunigte Flugbewegung des Luftschiffs in allen sechs Freiheitsgraden sowie stationäre und instationäre Windfelder. Da es die Möglichkeit bietet, entlang der Schiffslängsachse lokale Anströmungsbedingungen zu berücksichtigen, vermag es auch inhomogene Windfelder zu erfassen. Die flugmechanische Analyse befasst sich algebraisch mit den Bedingungen für stationäre und stabile Flugzustände und mit der erreichbaren Flugleistung. Ausführlich wird das Eigenverhalten des Luftschiffs über der gesamten Flugenveloppe diskutiert.

Das vorgestellte Aerodynamikmodell stellt eine neue Kombination bekannter Ansätze, wie beispielsweise der Potentialtheorie, des Querströmungsansatzes und der Traglinientheorie, dar. Erstmals steht somit eine längsverteilte Aerodynamik in geschlossener analytischer Form zur Verfügung welche nichthomogene Windfelder, beschleunigter oder unbeschleunigter Art, und jeglich geartete Bewegungsformen des Luftschiffs korrekt berücksichtigt. Insbesondere die Modellierung der Rumpfpotentialströmung über die Abbildung der Ellipsoidlösung stellt einen neuen Entwicklungsschritt dar. Gegenüber der in dieser Modellklasse bisher angesetzten Theorie Schlanker Körper vermag der neue Ansatz Kräfte im vorderen Bugbereich und generell Kräfte im Kurvenflug besser wiederzugeben. Zudem ist jederzeit die Druckverteilung über den rotationssymmetrischen Rumpf bekannt. Er wird über eine analytische Funktion des Ortes, der Bewegung und der lokalen Windbedingung berechnet.

Dies ermöglicht den Einsatz des Modells zur Berechnung lokaler Böen- und Manöverlasten. Als ergänzender Beitrag zur Modellierung wird die vollständige Behandlung der Theorie Schlanker Körper auf einen Körper in freier Bewegung und unter Windeinfluss gewertet. Diese Ausführungen sind im Anhang dieser Arbeit zu finden. Es sollen auch Einschränkungen des Modells und dessen Geltungsbereichs erwähnt werden: Eine gute Modellqualität kann nur erreicht werden, wenn Windkanaldaten oder andere Aerodynamik-Referenzdaten zur Verfügung stehen. Basierend auf Daten stationärer Messungen vermag das Modell jedoch sämtliche Kräfteanteile, beispielsweise durch Kurvenflug, zu bestimmen. Das Modell ist auf rotationssymmetrische Rümpfe beschränkt, Anbauten wie Gondel oder Kiel müssen über diskrete Einzelkräfte oder Kraftverteilungen modelliert werden. Im Vergleich mit Windkanaldaten und numerischen Strömungssimulationen konnte gezeigt werden, dass das Modell lokale Effekte für Anströmungswinkel bis gegen 10° gut wiedergibt. Durch die Modellierung der Rumpfumströmung als Potentialströmung, werden u.a. Ablösewirbel nicht berücksichtigt (vgl. Diskussion auf Seite 29).

Solche Wirbel beeinflussen die Rumpfaerodynamik bei Anstellewinkel ab rund 8°, insbesondere im Bereich der Ablöselinien. Obwohl das vorgestellte Modell die Gesamtkräfte und -momente bis Winkel von 15° gut abbildet und auch für größere Winkel an Referenzwerte angepasst werden kann, sollte die Wirkung der Wirbel und der Einfluss auf das Gesamtmodell mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen und Experimenten weiter untersucht werden. Im Rahmen der Auswertung des Aerodynamikmodells wir detailliert die Wirkung von Wind und Schiffbewegung diskutiert. Dabei wird gezeigt, wie die instationären Kräfte in Anteile infolge Körperbeschleunigung und Windbeschleunigung entkoppelt werden können, und wie Scherwinde und beschleunigungsbehaftete Windfelder unterschiedliche Kräfte bewirken.

Letztere führen zusätzliche auf Verdrängungskräfte. Bei der flugmechanischen Untersuchung werden sowohl stationäre wie auch dynamische Eigenschaften angesprochen. Im Rahmen der stationären Untersuchungen werden algebraische Bedingungen für Gleichgewichtszustände im Geradeaus- und im Kurvenflug hergeleitet. Mit Hilfe eines neuartigen Diagramms kann die charakteristische Flugleistung von Luftschiffen in der Vertikalebene dargestellt werden: Es zeigt über der Fluggeschwindigkeit die erreichbaren Bahnwinkel des Luftschiffs oder deren zulässige Schwere. Für den Kurvenflug wird ein Diagramm angegeben, in welchem labile und stabile Lagen abgelesen werden können. Der Analyse des Eigenverhaltens im Geradeausflug wird ein beachtlicher Teil dieser Arbeit gewidmet. Mit Hilfe von Zeiger- und Eigenwertdiagrammen sowie dreidimensional dargestellter Simulationssequenzen werden die Eigenbewegungen visualisiert.