Parabelflug

Marina

User
Hallo,
hat sich jemand von euch schon mal Gedanken darüber gemacht,
ob es mit einem Modellflieger möglich ist einen Parabelflug durchzuführen?
Ich will eine Facharbeit darüber schreiben, dass man auch mit einem Modellflugzeug
aus dem horizontalen Flug in einem 50°Winkel aufsteigend eine nach unten
geöffnete Parabel fliegen kann, um im Flugzeug Schwerelosigkeit zu erzeugen.

Infos zu Parabelflügen gibts auf www.spaceflight.esa.int

Wäre wirklich für jede Hilfe dankbar!

Marina
 
Hi Marina,
ich habe mir dazu bislang noch keine Gedanken gemacht, aber ich würde nicht ausschließen,daß sowas wenigstens im Prinzip geht. Die "schwerelose" Zeit wäre natürlich wegen der räumlichen Grenzen des Modellflugs gering.

Das Hauptproblem ist die praktische Realisierung, mit den Möglichkeiten eines Modellfliegers kann ich mir das nicht vorstellen. Es sei denn, das Modell wirft Tragflügel, Leitwerke und Motor ab, dann fliegt es es auch auf einer ballistischen Bahn... ;) .

Im Ernst: Bei den "Großen" könnte es sein, daß der Pilot nach einem speziellen Instrument die Bahn steuert, oder daß ein Regler das erledigt (weiß ich nicht). Aber beim Modell ? Rein nach Sicht geht es bestimmt nicht, also müsste es eine Sensorik/Elektronik im Modell selbsttätig steuern. Der Aufwand dafür dürfte erheblich sein.

Wenn ich das untersuchen bzw. rechnen müsste, dann würde ich Beschleunigung, Geschwindigkeit und Bahn in horizontale und vertikale Komponenten aufteilen und damit rechnen. Bedingungen: Die horizontale Geschwindigkeitkomponente muß konstant bleiben, und die vertikale Geschwindigkeitskomponente muß wie beim "ballistischen Schuß senkrecht nach oben" verlaufen. Randbedingung wäre noch, daß die Bahngeschwindigkeit des Modells einerseits immer so groß bleibt, daß es aerodynamisch steuerbar bleibt, und andererseits nicht so groß, daß es "abmontiert". Daß das Flugzeug dabei auch noch eine langsame Drehung um die Querachse machen muß, vernachlässigen wir mal für´s Erste. Auf Grund dieser Vorgaben könnte man dann theoretisch rechnen, wie der Verlauf der am Modell angreifenden Kräfte über der Zeit aussehen musste, und wie das Modell gesteuert werden müsste.

Daß du bzw. ihr in der Schule solche Untersuchungen macht, kann eigentlich nicht sein, da haben selbst Profis heftig dran zu knabbern.

Mein Fazit:
Unvorstellbar ist der Parabelflug mit einem RC-Modell m.E. nicht, aber die praktische Realisierung dürfte sehr sehr schwierig sein.

Grüße,
Helmut
 

o.h.

User
Hallo Marina!
Du kannst mit mit jedem Flugzeug Schwerelosigkeit erreichen! Ich bin selbst Flieger und kann Dich in einer Cessna schweben lassen. Das geht allerdings nur für sehr kurze Zeit (2-3 Sek.), vielleicht auch noch etwas länger, aber dafür fehlt mir der Mut! Das Problem ist, beim Modell festzustellen, ob es "schwerelos " ist. Wenn Du einen kleinen elektr. G-Messer mit Speicher und Auslesemöglichkeit hast, kannst Du das nach dem Flug feststellen. Allerdings ist mir so´n Teil noch nicht bekannt!
 
Hi Marina und Michael,

solche Beschleunigungssensoren gibt es schon, und die sind noch nicht mal sehr teuer.

Das Problem ist aber, daß man nur die vertikale Beschleunigung bzw. Beschleunigungskomponente erfassen und auswerten muß.
Dazu müsste man z.B. den Sensor auf eine genau ausgerichtete kreiselstabilisierte Plattform im Flieger setzen. Oder man könnte ihn fest im Modell einbauen, müsste dann aber den Lagewinkel zum Horizont messen und dann die Vertikalkomponente "herausrechnen". Beides ist nicht ganz einfach und teuer.

Grüße,
Helmut
 

Christian Abeln

Moderator
Teammitglied
Erstmal muss ich als alter "Modellbaufacharbeitschreiber" sagen das ich die Idee absolut Klasse finde und entgegen der Meinung hier ach für durchweg realisierbar halte...

Wenn die Facharbeit keinen praktischen Teil beinhaltet ist es ne reine Rechenaufgabe, wenns in der Praxis durchgeführt werden soll wirds etwas komplizierter.

Messen kann man so etwas sicherlich, wenn auch durchweg aufwändig.

@haschenk: Sie hat nicht gesagt das solche Untersuceungen bei Ihr an der Schule gemacht werden, lediglich das sie ne Facharbeit darüber schreiben möchte :)

bei uns wurden auch keine Entenmodelle im Physikunterricht gebaut ;)

Also Marina: Immer weiter so :)
Hier gibts genug Leute die Dir helfen :)
 

Marina

User
Hallo Leute!
Danke für eure Antworten, haben mich noch mehr verwirrt! :D
Deswegen auch gleich neue Fragen, bei denen ihr mir sicher weiterhelfen könnt:

Wo krieg ich Infos über G-Messer, wie teuer, wie schwer, etc.?

Welches Material würde so eine Belastung wohl am besten überstehen? und

Wäre es möglich mit Hilfe eines Winkelmessers die Bahn nachzufliegen und wo find ich genauere Infos?

Bin auf eure Meinungen gespannt! :)
Marina
 
Hi Marina,

zu deinen Fragen:

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Wo krieg ich Infos über G-Messer, wie teuer, wie schwer, etc.?
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Bemühe mal eine Suchmaschine (am besten Google) unter den Begriffen "Beschleunigungsmesser" oder (besser) "accelerometer".

Solche Beschleunigungsmesser gibt es in unzähligen Bauformen und Größen, je nach Anforderungen der Anwender. Das geht von ganz kleinen ("mikromechanisch" hergestellt, wiegen weniger als ein Gramm) bis zu großen (in "solidem" Metallgehäuse, 100 Gramm oder mehr). Preise ab einigen Teuro (bei großen Stückzahlen) bis zu vielen hundert Teuro.
Die Beschleunigungsmesser geben in der Regel ein elektrisches Signal ab, das dann in einer Elektronik weiterverarbeitet werden muß.

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Welches Material würde so eine Belastung wohl am besten überstehen?
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Das ist m.E. das geringste Problem. Jedes kunstflugtaugliche Modell (und auch viele andere) übersteht einen Parabelflug. Die Belastung im eigentlichen Parabelflug ist ja prakt. gleich Null, die Beanspruchung tritt nur in den Übergangsbögen auf, und da vor allem im "Abfangbogen". Da kommt dann auch der Pilot mit ins Spiel, und es hängt davon ab, bis zu welcher Geschwindigkeit der Abwärtsteil des Parabelflugs ausgedehnt wird, bevor man den Flieger abfängt. Beim "Schuß" im Hochstart von F3B-Segelflugmodellen treten gleich große oder höhere Beanspruchungen des Modells auf.

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Wäre es möglich mit Hilfe eines Winkelmessers die Bahn nachzufliegen und wo find ich genauere Infos?
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Die Frage verstehe ich nicht ganz. Meinst du damit das Nachfliegen einer zuvor berechneten Bahn, und was für ein Winkelmesser ist gemeint?
Am Boden oder im Modell?

Gruß,
Helmut
 

Ulrich Horn

Moderator
Teammitglied
Moin,

warum so kompliziert?
Kann man nicht einen handelsüblichen piezo-Kreisel so modifizieren, dass er auf Beschleunigungs- statt Rotationskräfte reagiert? Dann horizontal eichen, vertikal einbauen und mit dem Höhenruder koppeln.. müsste bei Zuschaltung eine fast perfekte 0-G- Parabel ergeben, zumindest für Steigungen < 0,8..
Nur so 'ne Idee ;)

Grüße Ulrich Horn
 
Hallo zusammen

Auszug aus einer Avionikliste für eine personentragende Fox
Instrumente, Zubehör:
elektr. g-Messer GSPOT GS95-A (58 mm; -15 / 10 g), Genauigkeit 1/10 g, mit Memory und 
Audio-Alarm (programmierbar) für hinteren Sitz statt normaler g-Messer +10 / -5 g  -Aufpreis-
  455,00 EURO 

Gruss

Kurt
 

Jan

Moderator
...wie wäre es mit einer Telemetrielösung? Man könnte doch ähnlich wie bei einem Vario (Sender mit Sensoren im Flieger, Empfänger beim Piloten am Boden) eine akustische Rückmeldung zum Piloten bringen, sobald die Schwerelosigkeit eintritt und dem Piloten über die Veränderung eines Tones helfen, den Zustand der Schwerelosigkeit zu finden. Z.B.: Hoher Ton = ziehen, tiefer Ton = drücken. Mit etwas Übung hat man dann die Flugkurve heraus.

Das könnte klappen. Halt immer nur für ein paar Sekunden, denn der Boden ist nah...
 
Hi zusammen,

@Tibos
mit dem Umbau eines Modellbau-"Kreisels" ist das nicht so einfach. Das eigentliche Sensorelement da drin ist so beschaffen, daß es grundsätzlich nur Drehgeschwindigkeiten misst. Da kann man nichts abändern. Nun könnte man dran denken, diesen Sensor gegen einen Beschleunigungssensor auszutauschen, und bei passender Stromversorgung und Anpassung der Signalpegel könnte das auch funktionieren. Ob das sinnvoll ist, ist eine andere Frage, denn beim Rest der elektronischen Schaltung handelt es sich um eine relativ einfache Geschichte, die ein etwas erfahrener Elektroniker fast "mit links" aufbauen kann.

@Kurt
Ich vermute mal, daß es sich dabei um ein Gerät handelt, das in nur einer Achse misst, normalerweise (etwa) senkrecht zur Längsachse des Flugzeugs. Korrigiere mich, wenn es nicht so ist.

Damit kann man dann z.B. die Beanspruchung des Flügelholms usw. durch Böen, beim Looping usw. messen und registrieren. Mit einem zweiten solchen Sensor, rechtwinklig dazu eingebaut, könnte man die Beschleunigungen und Beanspruchungen in Längsrichtung feststellen.
Wesentlich dabei ist, daß beidesmal in einem "flugzeugfesten" Koordinatensystem gemessen wird.

Allgemein:
Die Parabel-Flugbahn ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem "erdfesten" Koordinatensystem die horizontale Geschwindigkeitskomponente konstant bleibt, und in der Vertikalen nur die Erdbeschleunigung wirksam ist. Wenn wir den Luftwiderstand mal vernachlässigen, dann beschreibt jeder (schräg) nach oben geworfene Stein oder ein Geschoß so eine Bahn.

Beim Flugzeug haben wir nun aber einen nicht vernachlässigbaren Luftwiderstand und einen Propellerschub in Bahnrichtung, und den Auftrieb senkrecht zur Bahnrichtung. Die vektorielle Summe dieser Kräfte müsste man zu Null machen.

Egal, ob autonom im Modell oder per Telemetrie durch den Pilot, geht das m.E. nur, wenn man den Lagewinkel des Modells zum "erdfesten Koordinatensystem" (Horizont) weiß. Der Lagewinkel des Modells zum Horizont ändert sich ja im Verlauf des Parabelflugs stark.

Die zweite Frage wäre dann, wie man die Kräfte Widerstand, Schub, Auftrieb während des Parabelflugs verändern ( "durchsteuern" ) muß, damit ihre Vektorsumme Null ergibt. Meiner Meinung nach sollte man zuerst diesen Punkt klären, bevor man an die "apparative Umsetzung" denkt.

Ich bin mir nicht so sicher, ob diese Überlegung richtig ist. Vielleicht sehe ich vor lauter Bäumen auch den Wald nicht mehr. Korrigiert mich, wenn ihr das anders seht.

Grüße,
Helmut
 

Jan

Moderator
Helmut,
ich bin mir als bekennender Laie überhaupt nicht im Klaren:

Egal, ob autonom im Modell oder per Telemetrie durch den Pilot, geht das m.E. nur, wenn man den Lagewinkel des Modells zum "erdfesten Koordinatensystem" (Horizont) weiß. Der Lagewinkel des Modells zum Horizont ändert sich ja im Verlauf des Parabelflugs stark.

Die zweite Frage wäre dann, wie man die Kräfte Widerstand, Schub, Auftrieb während des Parabelflugs verändern ( "durchsteuern" ) muß, damit ihre Vektorsumme Null ergibt. Meiner Meinung nach sollte man zuerst diesen Punkt klären, bevor man an die "apparative Umsetzung" denkt.
Mache ich es mir zu einfach, wenn ich Folgendes behaupte:

Kann man sich nicht des ganzen Problemhaufens entledigen, wenn man sich nur auf den Bahnneigungswinkel beschränkt (immer vorausgesetzt der auf Voll-Last laufende Antrieb liefert überhaupt Vortrieb) und nur mit dem Höhenruder steuert und den Bahnneigungswinkel verändert? Denn die Vektorsumme wird zwar beeinflusst, wenn z.B. der Widerstand steigt, aber das kann man doch (wie alle anderen Größen auch) mit dem Höhenruder "aussteuern", indem man einfach mehr Tiefe gibt, oder?? :confused:

Ich stelle mir das so vor, dass das virtuelle Männlein oder Weiblein im Cockpit schwebt. Kommt die Schwerkraft wieder zur Geltung, etwa, weil der Flieger langsamer wird (z.B. wg. Luftwiderstand), dann erfährt man das am Boden und man gibt wieder mehr Tiefe und "der Winkel" passt wieder. Man muss ihn gar nicht kennen. Entscheidend ist der Effekt im Cockpit. Oder wo sitze ich hier auf dem Schlauch? Das könnte eine ganz einfach Messapparatur sein.
 
Hallo Marina!

ich habe gerade auf der ESA website geschaut, wie der Pilot des A 300 ZERO G dieses Parabelmanöver fliegt:

Er beginnt mit "Steady horizontal flight", das heißt, er fliegt zunächst ausgetrimmt mit gleicher Geschwindigkeit auf gleicher Höhe.

Das kann man mit einem Modellflugzeug auch hinkriegen ;) !

Dann zieht er den Airbus mit 1,8 g in einen Steigflug von 45°.

Da wirds für den Modellpiloten schon schwieriger. Die 1,8 g wird er nicht exakt halten können, und auch die 45° wird er nicht so genau treffen wie der "Grosse". Vom Prinzip her kann er aber das Modell aus dem Horizontalflug in einen Steigflug von ca. 45° bis 50° bringen.

Der Airbus reduziert seinen Schub dann auf ein Minimum, das den Luftwiderstand kompensiert, und folgt einer freien ballistischen Flugbahn, während der für ca. 20 sec Schwerelosigkeit herrscht. Der Airbus wird also nicht durch diese Parabel gesteuert, diese Steuereingaben hätten Auswirkungen auf die gewünschte Schwerelosigkeit, sondern folgt, nachdem er die 45° erreicht hat, nur der ballistischen Bahn.

Der Modellflieger wird den Schub ganz in Leerlaufstellung nehmen müssen, die Kompensationsleistung des Triebwerks für den Luftwiderstand, wenn man sie denn berechnet hat, wird man am Modelltriebwerk nicht genau genug einstellen können.

Der Airbus nimmt während des Parabelmanövers seine Nase nach unten, und wenn die Nase 45° nach unten zeigt, wird die Maschine mit 1,8 g abgefangen. Fliegt er dann wieder "straight and level" ist das Manöver beendet.

Auch das Modell wird, wenn es sauber gebaut ist, die Nase nach unten nehmen und wenn der Winkel symmetrisch zum Steigwinkel aussieht, wird der Modellflieger sein Flugzeug abfangen. Die 1,8 g wird er auch beim abfangen nicht halten können,aber er wird es trotzdem schaffen und auch das Modellflugzeug wird nach Beendigung des Manövers wieder geradeausfliegen.

Fazit: Du kannst mit einem Modellflugzeug dieses Parabelmanöver nachfliegen, mußt Dir aber darüber im klaren sein, daß mit einem Modell das Prinzip des Parabelflugs gezeigt werden kann, daß aber bei der Realisierung dieses Parabelflugs deutliche Abstriche gegenüber dem Original gemacht werden müssen. Du wirst den Luftwiderstand nicht kompensieren können und wirst auch das Modell nicht so exakt steuern können, wie das im Airbus möglich ist.

Ein experimentelles Setup, um Schwerelosigkeit im Modellflugzeug während eines Parabelfluges nachzuweisen halte ich allerdings durchaus für machbar.

Happy landings

Michael

[ 12. Januar 2003, 23:06: Beitrag editiert von: Michael Baer ]
 
Hi zusammen,

ich habe inzwischen ein wenig gerechnet, wobei mir der Beitrag von Michael eine erhebliche Hilfe war.

Hier das Ergebnis.
Der Anflug und das Hochziehen sind zweitrangig, aber insofern von Bedeutung, als die Geschwindigkeit bei Eintritt in die Parabelbahn möglichst hoch sein sollte (s.u.). Die 1,8 g sind wahrscheinlich für die gegebenen Umstände irgendwie optimal, oder man will den "mitfliegenden Objekten" keine höhere positive g-Belastung zumuten.

Der Winkel von 45 Grad ist optimal, damit ist die "Wurfweite" bekanntlich am größten, und man erreicht die längste schwerelose Zeit.

Das Flugzeug tritt in die Parabelbahn mit einer (Bahn-) Geschwindigkeit v1 und unter einem Bahnwinkel (zur Horizontalen) von 45 Grad ein. Allgemeiner können wir hier einen Winkel Phi1 annehmen. Es hat damit die Vertikal-Geschwindigkeitskomponente v1*sin(Phi1) und die Horizontal-Geschwindigkeitskomponente v1*cos(Phi1).

Die Kräfte am Flugzeug während des Parabelflugs müssen sich vektoriell zu Null ergänzen (abgesehen von der Schwerkraft). Das betrachtet man am einfachsten auch wieder in Komponenten, diesmal aber in einem Koordinatensystem, dessen eine Achse in Bahnrichtung (Schub, Widerstand) und dessen andere Achse (Auftrieb) senkrecht dazu ist.

Schub und Widerstand müssen zu jedem Zeitpunkt gleich groß sein und sich zu Null aufheben. Das kann nur mit dem "Leistungshebel" geschehen. Da sich aber die Geschwindigkeit während des Parabelflugs ändert (s.u.) und der Widerstand annähernd quadratisch von ihr abhängt, muß auch der Schub entsprechend verändert werden. Der Auftrieb muß zu jedem Zeitpunkt auch Null sein; das kann man erreichen, indem das Flugzeug "mit der Nase runter" im Nullauftriebswinkel gehalten wird.

Zurück zu den Geschwindigkeiten. Vertikal haben wir nur die Erdbeschleunigung -g, damit wird die Vertikalkomponente (ab Eintritt in die Parabel) vy = v1*sin(Phi1) - g*t. Horizontal haben wir keine Beschleunigung, und die Horizontalkomponente wird einfach vx = v1*cos(Phi1) = const.

Es ist nun zweckmäßig, für den Ausdruck v1/g eine Abkürzung einzuführen, die TF heißen soll: TF = v1/g. TF ist konstant, hat die Dimension [1/s] und ist ein charakteristischer Parameter unseres Problems. Nun können wir die Geschwindigkeitskomponenten wieder zur Bahngeschwindigkeit (=Fluggeschwindigkeit) zusammensetzen, und wir beziehen diese dann zweckmäßigerweise gleich auf den Anfangswert v1. Es ergibt sich dann für die Bahngeschwindigkeit

v/v1 = Wurzel (1-2*sin(Phi1)*(t/TF) + (t/TF)^2)

Dies ist die Vorschrift, nach welcher die Geschwindigkeit des Flugzeugs während der Parabel gesteuert werden muß, und zwar mit dem Triebwerksschub, keinesfalls mit dem Höhenruder. Mit letzterem muß der Auftrieb auf Null gehalten werden. Wir können unserem PC mit einem geeigneten Programm nun diese und die Vertikalkomponentengleichung eingeben und z.B. für t = 0....30 Sekunden die Geschwindigkeiten rechnen lassen. Durch Integration über die Geschwindigkeiten erhalten wir die Bahn, aber von der wissen wie eh schon, daß es eine Parabel ist. Es könnten aber die Wegstrecken interessieren.

Beispiel 1: Flugzeug ähnlich Airbus, angenommen v1 = 170 m/s; g = 9,81 m/s^2, Phi1 = 45Grad,
TF = 170/9,81 = 17,3 1/s
Die Geschwindigkeit nimmt zunächst ab und erreicht ein Minimum von ca. v/v1 = 0,73 nach ca. 12 Sekunden, dies ist im Scheitelpunkt der Parabel; gleichzeitig ist dann vy = 0.
Von da ab wird der Flieger wieder schneller und erreicht nach ca. 24 s wieder die ursprüngliche Geschwindigkeit v1 bzw v/v1 = 1. Danach wird er laufend schneller, und es wird Zeit, ihn abzufangen.

Beispiel 2: Modellflugzeug, angenommen v1 = 40 m/s. Jetzt ist TF = 40/9,81 = 4,08
Das Geschwindigkeitsminimum von ca. v/v1 = 0,73 im Scheitelpunkt wird jetzt schon nach ca. 2,8 s erreicht, und nach ca. 5,6 s sind wir wieder bei 40 m/s. Lassen wir ihn weiter in der Parabel, hat er nach 10 s schon 1,9*40 = 76 m/s drauf oder ist "eingefahren". Beim Modell geht also alles viel schneller.

So, dabei will ich es mal bewenden lassen. Ich wollte damit nur zeigen, wie man sich der Sache quantitativ nähern kann. Vielleicht gibt es ja auch noch andere Wege dazu.

Grüße,
Helmut
 
Hallo Marina!

Habe das schöne Wetter heute genutzt, um mit meinem Twin-Jet Parabeln auszuprobieren:

Es klappt! Ich habe nach Horizontalflug (ausgetrimmt, das ist wichtig!!) einen ca. 45° Steigflug eingeleitet und dann die Triebwerke in Leerlauf gezogen. Der TJ hat dann, ohne daß ich eine einzige Steuereingabe gemacht habe, eine Parabel geflogen. Das ganze dauert natürlich nur ein paar Sekunden, aber es funktioniert. Das Flugzeug nimmt während dieser Parabel selbständig die Nase runter, da braucht es keine Höhenrudereingabe, denn man trimmt ein Flugzeug immer für eine bestimmte Geschwindigkeit und die will es dann halten. Deshalb ist es auch wichtig, dieses Maneuver mit a u s g e t r i m m t e m Flugzeug zu fliegen. Ist der Flieger nicht ausgetrimmt, erzeugt diese Vertrimmung unerwünschte Höhenruder-Eingaben, die die Flugbahn (die Parabel) beeinflussen.

Also Marina, jetzt mußt Du uns mitteilen, was Du noch brauchst, dann kann es weitergehen.

Wir haben bei uns am Platz auch einen richtigen Physiklehrer mit großen Modellen, in denen sich ein Versuchsaufbau realisieren lassen müßte! Der kann Dich bestimmt prima bei praktischen Versuchen unterstützen.

Happy landings

Michael
 

Marina

User
Hi!
Eure Unterstützung ist echt super, vor allem die Rechnerei und das Ausprobieren!

"Ausgetrimmt" heißt doch, dass das Höhenruder nicht verstellt wird, oder?

Werde mich nächste Woche mit meinem Physiklehrer kurzschließen und habe dann wahrscheinlich wieder ein paar unmögliche Fragen,

also haltet euch bereit!

Marina
 
Hi Marina

Ganz kurz zum Trimmen

Ein Pilot, der die Höhenruder-Trimmung nicht verwendet, muß das Flugzeug durch entsprechende Steuereingaben (ziehen am Knüppel oder Drücken am Knüppel) auf der gweünschten Flugbahn halten. Läßt er den Steuerknüppel los, dann wird das Flugzeug sofort die Nase runter oder rauf nehmen und dann entsprechend einen Sink - oder Steigflug beginnen. Mit der Trimmung kann man diese Kräfte wegtrimmen, das heißt, wenn der Pilot sein Flugzeug ausgetrimmt hat und den Knüppel losläßt, dann fliegt das Flugzeug auf gleicher Höhe weiter.

Gerade für Dein Problem des Parabelfluges sollte das Flugzeug bei Beginn des Manövers ausgetrimmt sein. Wenn der Steigflug von 45° - 50° erreicht ist, und der Pilot den Knüppel losläßt, soll ja das Flugzeug der Flugbahn weiter folgen.

Für verschiedene Fluggeschwindigkeiten sind verschiedene Stellungen der Trimmung nötig, ein Flugzeug wird immer für eine bestimmte Geschwindigkeit ausgetrimmt.

Jetzt war's doch eine etwas längere Erklärung, ich hoffe halbwegs verständlich, wenn nicht sag Bescheid!

Happy landings

Michael
 
Hallo Michael,
deine Erklärung mit dem "ausgetrimmten" Modell ist so nicht ganz richtig.
Daß die Trimmung eigentlich dasselbe macht wie der HR-Knüppel -nämlich einen Ausschlag des HRs- ist sicher klar. Die Trimmung stellt den HR-Auschlag bei losgelassenem Knüppel ein. Normalerweise trimmt man ein Motormodell so, daß es dabei horizontal oder auf einer schwach nach unten geneigten Bahn fliegt; da sind auch etwas persönliche Gewohnheiten dabei.

Aber was steckt dahinter?
Wenn du ein Modell austrimmst, dann stellst du dadurch das Längsmomenten-Gleichgewicht für einen ganz bestimmten Anstellwinkel ein. Aus diesem resultiert der Auftriebsbeiwert ca, und dazu stellt sich dann automatisch die "passende" Bahngeschwindigkeit ein, bei der -im gleichförmigen Flug- Kräftegleichgewicht herrscht (ist etwas verkürzt gesagt).

Wenn du jetzt das Modell für den Horizontalflug ausgetrimmt hast, dann hat sich ein bestimmter Auftriebsbeiwert eingestellt, bei dem dann der Auftrieb gerade gleich dem Gewicht des Modells ist. Zu diesem Auftriebsbeiwert und den zugehörigen Anstellwinkel wird das Modell nach einer Bahnstörung immer wieder automatisch zurückfinden, und dieser Auftriebsbeiwert ist immer ungleich Null.

Wenn das Modell unter 45 Grad in die Parabelbahn eingesteuert wurde, dann wird es auch sofort wieder sein Längsmomentengleichgewicht herstellen, und den zugehörigen Auftriebsbeiwert. Das heißt aber, es besteht ein Auftrieb, der jetzt unter 45 Grad "schräg nach hinten oben" zeigt. Unter diesen Bedingungen ist KEIN Parabelflug möglich (vom Widerstand mal abgesehen). Der Auftrieb muß Null sein!

Man müsste deshalb etwa folgendermaßen vorgehen:
Steht eine Computeranlage zur Verfügung, so ist die Sache einfach. In einer eigenen "Flugphasen-Konfiguration" wird das Modell auf ca=0 (senkrechter Sturz- oder Steigflug) ausgetrimmt, und diese Konfiguration wird abgespeichert. Beim Parabelflug wird dann bei Erreichen des "45 Grad-Eintrittspunkts" von der normalen auf diese Konfiguration umgeschaltet. Beim Austritt bei -45 Grad dann wieder umgekehrt.
Zum Erfliegen der "Sturzflug-Konfiguration" dürften neben Sicherheitshöhe auch starke Nerven angesagt sein.

Ohne Computeranlage wird es erheblich stressiger. Man kann dann eigentlich nur die Trimmung von Haus aus schon für den Sturzflug machen und während des normalen Flugs mit dem Knüppel ständig "gegenhalten", bei Eintritt in die Parabel dann den Knüppel loslassen. Ob das praktisch realisierbar ist, sehe ich als fraglich.

Ein Ausweg könnte sein, im Sender dem HR-Signal von einem "Schieberegler-Kanal" etwas zuzumischen, und dann diesen Schieberegler bei Bedarf auf- oder zuzuziehen. Das hängt natürlich davon ab, ob der Sender so eine Mischung erlaubt.

Ich möchte nochmal betonen, daß ohne die Bedingung ca=0 ein Parabelflug ( "schwerelos" ) nicht möglich ist; etwas Ähnliches wohl schon.

Bei Erfüllung dieser Bedingung haben wir aber erst die halbe Miete, die Bedingung Schub = Widerstand wäre auch noch zu erfüllen.

Grüße,
Helmut

P.S.
Mir ist da gerade noch eine Lösung zum Umtrimm-Problem eingefallen, die vielleicht die einfachste ist:
Ein zweites HR-Servo ins Modell einbauen, das über einen Schaltkanal betätigt wird. Die Ausgänge des normalen und des zweiten Servos im Modell mechanisch mischen (Mischhebel o.ä.). Damit läßt sich dann schnell, gefahrlos und ohne Computersender zwishen Normal- und Sturzflugtrimmung umschalten. Die Sturzflugtrimmung muß natürlich erflogen werden.

[ 19. Januar 2003, 19:17: Beitrag editiert von: haschenk ]
 
Hallo Michael,

ich bin gewiß auch auch nicht der große "Parabelflug-Guru". Ich versuche nur, mit ein paar Physik- und Aerodynamik-Kenntnissen (habe ich mal gelernt) mir die Sache klar zu machen. Die Mathematik, die man auf diesem Level braucht, ist noch ziemlich einfach.

Die "Null g" gelten nicht nur für den Scheitelpunkt, sondern während des gesamten Parabelflugs. Sie ergeben sich beim "rein ballistischen Flug" (ohne Schub und Luftkräfte) einfach dadurch, daß das "fliegende Objekt" ständig der Erde "entgegenfällt". Das gilt auch für die Anfangsphase, in der das Objekt noch nach oben steigt, denn es verlangsamt seine Steiggeschwindigkeit entsprechend dem Fallgesetz (v = v0 - g*t, v0 = anfängliche Vertikalkomponente der Geschwindigkeit, t = Zeit). Im Scheitelpunkt ist die Vertikalgeschwindigkeit = Null, danach kehrt sie sich um und nimmt laufend zu.
Das Wesentliche an dieser Bewegungsform ist, daß in der Vertikalen nur die Erdbeschleunigung auftritt (s.o.) und in der Horizontalen die Geschwindigkeit gleichbleibt (= keine horizontale Beschleunigung).
So verhält sich ein schräg nach oben geworfener Stein oder das Geschoß aus einer Kanone. Wenn man die Geschwindigkeiten (Komponenten) rechnet und daraus die Bahnkurve, dann kommt eine Parabel dabei raus.

Unser Flugzeug ist nach Ende des Eintrittsbogens in derselben Situation wie ein Geschoß, das den Kanonenlauf unter einem bestimmten Winkel und mit einer bestimmten Geschwindigkeit verläßt, nur daß an ihm noch aerodynamische Kräfte und der Triebwerkschub angreifen (können). Diese Kräfte muß man nach Richtung und Größe ("vektoriell") in jedem Zeitpunkt zu Null machen, sonst kommt kein ballistischer Flug zustande.
Ähnliches gilt auch für den Bombenabwurf aus einem Flugzeug; da beginnt die Parabel nur gleich im Scheitelpunkt.

Daß wir diesen ballistischen Flug des Flugzeugs selbst wirklich brauchen, kann man sich leicht so vorstellen: Ein im Inneren des Flugzeugrumpfs "schwebender" Körper folgt von allein prakt. exakt der ballistischen Bahn, weil auf ihn nur die Schwerkraft einwirkt. Wenn das Flugzeug nicht genau dieselbe Bahn fliegt, dann wird dieser Körper sehr bald irgendwo innen an die Rumpfwand anstoßen, und das Schweben ist vorbei. Natürlich kriegt man das nicht ideal genau hin, aber man wird enge Toleranzen einhalten müssen.

Von den die Bahn "störenden" Kräften ist der Auftrieb die weitaus größte, und es gibt m.E. keine Kompensationsmöglichkeit dafür, deshalb muß man ihn sebst zu Null machen, indem man den Anstellwinkel entsprechend klein macht (ca=0, Sturzflugtrimmung). Und das während des gesamten Parabelflugs.

Zum Schub kann man noch überlegen:
Er muß zu jedem Zeitpunkt gerade den Luftwiderstand kompensieren. Während des horizontalen Anflugs hat er das gerade gemacht, während des Übergangsbogens ist die Geschwindigkeit kleiner geworden, und während des "ballistischen Steigens" muß die Vertikalkomponente der Geschwindigkeit gleichförmig abnehmen. Da deren Horizontalkomponente gleich groß bleiben muß, kann man somit die geforderte Bahngeschwindigkeit berechnen, und damit die Änderung des Widerstands, und daraus die notwendige Reduzierung des Schubs. Dabei muß man natürlich berücksichtigen, daß der Widerstandsbeiwert (cw) auch kleiner wird wegen des verringerten Anstellwinkels (z.B. wird der induzierte Widerstand sogar Null).

Das ist nun leicht gesagt und schwer getan; ich vermute mal, daß das im Airbus ein Computer macht.
Aber auf gar keinen Fall darf man den Schub auf Null runterfahren, das wäre grob falsch. Andererseits ist die Größenordnung der wirksamen Differenz Schub - Widerstand viel kleiner als der Auftrieb, und die auftretenden Geschwindigkeitsunterschiede sind nicht extrem groß. Das dürfte diesen Punkt weniger kritisch machen, als es beim Auftrieb der Fall war.

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Zitat:
Wenn Du die "Null Auftrieb Trimmstellung" während des Steigflugs zuschaltest, wird dieser Ruderausschlag meines Erachtens die Flugkurve eher stören, als unterstützen, weil eine schlagartige Änderung der Trimmung ein Pitchmoment erzeugt und die Bahn verändert.
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Ja, wenn man schlagartig von von "Normal-" auf "Sturzflugtrimmung" umschaltet bzw. damit den Auftrieb "wegschaltet", wird es bestimmt zu einem "Ruck" und einer störenden Ausgleichsbewegung des Flugzeugs kommen. Das kann man minimieren, indem der Übergang nicht schlagartig, sondern "fließend" gemacht wird. Das gilt in ähnlicher Weise z.B. auch beim Umschalten von unterschiedlichen normaleren "Flugphasen". So eine Funktion bieten deshalb die meisten Computersender.

Michael, ich weiß, wie du das mit deinen "parabeligen Bahnen" gemeint hast und will es deshalb garnicht kritisieren. Wenn es "ballistische Parabeln" wären, so wäre das m.E. aber ein großer Zufall.

Es wäre natürlich sehr interessant, etwas mehr dazu erfahren, wie die Profis von der esa die Probleme im Detail gelöst haben.

Grüße,
Helmut
 
Hallo Helmut

Die Fragestellung von Marina war, ob es möglich sei, mit einem Modellflugzeug eine nach unten geöffnete Parabel zu fliegen, um Schwerelosigkeit zu erzeugen.

Bezug nimmt sie auf die esa, die mit einem Airbus Parabelflüge durchführt.

Die Durchführung dieser Parabelflüge habe ich, so wie ich die Informationen der esa verstehe, oben im thread beschrieben.

Wie ich dieses Manöver einschätze (ohne daß ich den mathematischen Beweis zu erbringen in der Lage wäre) wird der Airbus nicht durch eine "Null Auftrieb" Höhenruder-Eingabe die Flugbahn bestimmen. Die Tragfläche des Airbus wird während des ganzen Manövers Auftrieb liefern, der sich quantitativ während der Parabel jedoch deutlich ändert. Wichtig für die Zielsetzung Schwerelosigkeit ist ein Zustand von Null g im Scheitel der Parabel.

Wenn das Flugzeug die horizontale Bahn verläßt und den Steigflug mit 45° einnimmt, wird Bewegungsenergie in Lageenergie umgewandelt.
Der Schub wird fast auf Null reduziert (es wird nur für den Luftwiderstand kompensiert) das heißt die angezeigte Geschwindigkeit verringert sich, der Anstellwinkel gegenüber der anströmenden Luft
wird größer werden. Der Auftrieb wird sich also während des Steigflugs deutlich verringern, ohne daß eine weitere Höhenrudereingabe nötig ist.

Wenn das Flugzeug zu Beginn des Manövers ausgetrimmt war, wird es die Nase nach unten nehmen, um sich die Geschwindigkeit wieder zu holen, für die es getrimmt ist. Dabei steigt, nachdem die Nase durch den Horizont ist, die angezeigte Geschwindigkeit wieder, der Anstellwinkel gegenüber der anströmenden Luft wird kleiner, der Auftrieb erhöht sich wieder.

Warum (hier die Frage an den Mathematiker) ist diese Flugbahn keine nach unten offene Parabel? Vorsichtig formuliert wirken während des Durchflugs durch den Scheitel deutlich weniger als ein g, ich denke das geht schon Richtung Null. Ob der Airbus im Scheitel der Parabel nachgesteuert werden muß, um exakt Null g zu halten, kann Marina vielleicht mit einer Recherche bei der esa rauskriegen, ob es mit dem Modell exakt Null g sind oder wie nah man an die Null g herankommt: Keine Ahnung! Kann vielleicht eine Versuchsreihe zeigen.

Wenn Du die "Null Auftrieb Trimmstellung" während des Steigflugs zuschaltest, wird dieser Ruderausschlag meines Erachtens die Flugkurve eher stören, als unterstützen, weil eine schlagartige Änderung der Trimmung ein Pitchmoment erzeugt und die Bahn verändert.

Meine Argumente sind allerdings nur "aus dem Bauch raus", belegen kann ich nix, aber für mich klingt's nicht unlogisch! Und die Flugbahnen, die ich mit dem Modell geflogen habe, die sahen richtig parabelig aus!!

Happy landings

Michael

[ 20. Januar 2003, 00:21: Beitrag editiert von: Michael Baer ]
 
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