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Simulatortechnik und Flugzeugsysteme

Flugsimulation

MW
von Max W.

Welche Hauptkomponenten enthält das Simulationsmodell eines Flugsimulators für die Ausbildung?

  • Beschreibung der Flugzeugumgebung

  • Beschreibung der Flugdynamik

  • Beschreibung der Flugzeugsysteme



In welche Komponenten kann das Simulationsmodell für die Flugzeugumgebung gegliedert werden?

  • Gravitation

  • Atmosphere

  • Wind (auch Turbulenzen)

  • Topografie der Erdoberfläche

  • Magnetfeld der Erde

  • Radiosignale von Funknavigationsanlagen


In welche Komponenten kann das Simulationsmodell für Flugdynamik neben den Bewegungsgleichungen gegliedert werden?

  • Massenverteilung

  • Aerodynamik

  • Triebwerk

  • Bodenkontakt


Welche Komponenten enthält das Simulationsmodell für die Flugzeugsysteme?

  • Sensorik

  • Avionik

  • Fahrwerk

  • Elektrik

  • Hydraulik

  • Pneumatik


In welche Teile kann ein Windmodell gegliedert werden?

  • konstanter Windanteil

  • turbulenter Windanteil


Wie verläuft auf der Nordhablkugel die Windrichtung in großer Höhe?

Parallel zu den Isobaren.

  • Hoch -> gegen den Uhrzeigersinn

  • Tief -> im Uhrzeigersinn


Welchen Einfluss hat im Grenzschichtmodell nach Ekmann die Nähe zum Erdboden auf die Windgeschwindigkeit?

Die Windgeschwindigkeit nimmt zum Boden hin ab.

-> Am Boden = 0 (sog. Haftbedingung)

Welche Turbulenzstufen unterscheidet das Dreyden-Modell?

Es unterteilt in die drei Stufen:

  1. Leicht

  2. Mittel

  3. Schwer


Welche Einflussgrößen wirken sich im Dryden-Modell auf das Frequenzspektrum einer turbulenten Windströmung aus?

  • Fluggeschwindigkeit

  • Turbulenzstufe (Leicht, Mittel, Schwer)

  • Höhe über Grund


Woher bekommt das Simulationsmodell die Information über die Topographie der Erde zur Berechnung der Fahrwerkskräfte?

Die Sichtsystemsoftware ermittelt:

  • den lotrechten Abstand über einen projizierten Strahl

  • vom Rad

  • bis zum nächsten Objekt

in der topographischen Datenbasis.


Es werden auch die Eigenschaften des getroffenen Objektes ausgelesen -> Bodenbeschaffenheit.



Welche Typen von Sendeanlagen müssen für die Simulation der elektromagnetischen Umgebung eines Flugzeuges berücksichtigt werden?

  • VOR (VHF omidirectional radio range)

  • DME (Distance Measuring Equipment)

  • TACAN (Tactical Aircraft Control and Navigation)

  • Marker -> outer, middle, inner

  • Localizer

  • Glideslope

  • NDB (No directional beacon)


Beschreiben Sie die Modellierungsansätze eines 6DOF-Starrkörpermodells.

6 DOF Modellierungsansatz

  • 6 Freiheitsgrade (3x Translation, 3x Rotation)

  • Flugzeug starrer Körper

  • Angreifen äußerer Kräfte und Momente um den Schwerpunkt


Beschreiben Sie den Modellierungsansatz eines Mehrkörpermodells mit flexibler Kopplung.

Mehrkörpermodell

  • Flugzeug als Summe mehrerer Teilkörper

  • Teilkörper haben eigene Massen und angreifende Kräfte

  • Sie sind über Dämpfer/Feder Elemente verbunden

  • translatorische/rotatorische Relativbewegung zulässig

(z.B. Tragflügel aus mehreren einzel-Elementen -> Ermöglicht Durchbiegung)


Nennen Sie die Zustandsgrößen der Bewegungsgleichungen eines Starrkörpermodells.

Zustandsgrößen

Anmerkung der Redaktion: might be the most important question of Aeronautical Engineering stuides!

Translation:

  • (V,α,β) oder

  • (u,v,w)

Rotation:

  • (p,q,r) -> (Rollrate, Nickrate, Gierrate)

Lage:

  • (Φ, Θ, Ψ) -> (Hängewinkel, Nickwinkel, Azimut)

  • Angabe in Quaternionen

Position:

  • (x,y,z)


Weshalb werden alternativ zu den Eulerwinkeln auch Quaternionen zur Beschreibung der Flugzeuglage verwendet?

Bei einem Flug senkrecht nach oben oder unten tritt in der mathematischen Beschreibung eine Singularität auf.


Die Ableitung des Azimutwinkels lässt sich nicht mehr bestimmen, der Cosinus von 90° zu null wird. Floglich lässt sich kein Winkel mehr integrieren.


Bei Quaternionen werden vier Winkel verwendet, daher tritt diese Phänomen nicht auf.


Unter welchen Bedingungen können für die Flugsimulation Navigationsgleichungen bei flacher Erde eingesetzt werden?

-> Bei nur kleiner Umgebung um den Referenzpunkt

Bei einem Simulationsmodell mit flacher Erde wird, unter der Annahme, dass die Erdbeschleunigung näherungsweise mit der nominellen Erdbeschleunigung festgelgt ist, welcher Effekt nicht berücksichtigt?

Zentrifugalkraft

Welchen Vorteil bietet die Verwendung des geozentrisch-äquatorialen Koordinatensysrtemes anstelle des geozentrisch-Erdfesten WGS84 als Intertialsystem für Herleitung der Navigationsgleichungen?

Das geozentrische-äquatoriale System ist raumfest, d.h. es berücksichtigt die Erddrehung.

Nennen Sie zwei Gründe, weshalb die Massenverteilung während des Fluges nicht konstant ist.

  1. Verbrauch von Treibstoff

  2. Bewegliche Teile am Luftfahrzeug (z.B. Fahrwerk)


Was versteht man unter einer Einpunkt-Aerodynamik?

Die aerodynamischen Kräfte werden nur vom Gesamtflugzeug berechnet und nicht an einzelnen Stellen. (Anströmung nur an einem Punkt berücksichtigt)

Nennen Sie Einflussgrößen, die sich auf die aerodynamischen Kräfte und Momente auswirken.

  • Geschwindigkeit und Machzahl

  • Drehgeschwindigkeiten

  • Dichte

  • Kontrollflächenausschlag

  • Hebelarm der Kontrollflächen

  • Anstellwinkel

  • Schiebewinkel

  • Staudruck


Was sind aerodynamische Scharniermomente?

Die Momente, die an den Scharnieren der Ruder wirken, sie sind für das Feedback an den Stick wichtig.

Zudem wirken:

  • Trägheitsmomente

  • Gewichtskräfte

  • Steuerkräfte


Erklären Sie das zustandekommen des Abwindwinkels (sog. Downwash) am Höhenruder.

  • Tragflügel erzeugt Auftrieb und lenkt Strömung um

  • umgelenkte Strömung trifft HLW

  • HLW sieht globale Anströmung und Abwind vom Tragflügel

  • AoA an HLW geringer


Beschreiben Sie den Begriff der Mehrpunkt-Aerodynamik.

analog zum Mehrkörpermodell:

  • Berechnung der Aerodynamischen Kräfte und Momente an mehreren Stellen

  • genauere aerodynamische Beschreibung

  • z.B. im Kurvenflug nötig, da Strömungsverhältnisse unterschiedlich


Welche Modellierungsansätze für die Beschreibung der aerodynamischen Kräfte mithilfe einer Mehrpunkt-Aerodynamik kennen Sie?

  • CFD (Computational Fluid Dynamics) - Methode

  • Gliederung in Segmente des LFZ


Welcher Modellierungsansatz zur Beschreibung der Aerodynamik wird von X-Plane verwendet?

Mehrpunkt-Aerodynamik mit Segemntaufteilung

CFD benötigt deutlich höhere Rechenleistungen

Beschreiben Sie den Modellierungsansatz der Simulationssprache Modelica.

Modelica ist eine Simulationssprache mit:

  • komponentenorientierter Simulation

  • akausaler Modellierung dynamischer Systeme mit graphischem Interface

  • Gleichungen sind hinterlegt und implizieren keine Berechnungsrichtung

  • Verbindungen durch Verbindungsgleichungen

    • Potentialgleichungen (x = y)

    • Flussgleichungen (x + y = 0)

  • Eigenschaften für Variablen wie z.B.:

    • Winkel in Berechnungseinheit RAD mit Anzeigeeinheit DEG



Was unterscheidet ein Strukturdiagramm (wie in Modelica) von einem Blockschaltbild?

  • Blockschaltbilder

    • Übertragungsblöcke mit gerichteter Signalübertragung

      => Kausal

  • Strukturdiagramm

    • ungerichtete Übertragung

      =>Akausal

    • Übertragung mitt Fluss- oder Potentialvariablen

    • Erstellt im hintergrund Gleichungen zur Beschreibung der Anschlüsse


Was ist in Modelica eine wesentliche Eigenschaft einer Potentialgröße?

Eine Potentialgröße definiert den Flansch wie folgt: a = b

Sie definiert ein Energieniveau oder Potential

Was ist in Modelica eine wesentliche Eigenschaft einer Flussgröße?

Eine Flussgröße definiert den Flansch wie folgt: a + b = 0

  • flow-Keyword wird zur Kennzeichnung verwendet


Nennen Sie drei Beispiele von Potenzialgrößen (jeweils Art der Schnittstelle und dazugehörige Potenzialgröße).

  • Elektrisch -> Spannungspotential

  • Mechanisch

    • eindimensional translatorisch -> Position

    • eindimensional rotatorisch-> Winkel

    • dreidimensional-> Positionsvektor, Lagevektor (oder auch M_bg)

  • Thermodynamisch

    • Wärmeaustausch ohne Materialfluss -> Temperatur

  • Hydraulik -> Druck


Nennen Sie drei Beispiele von Flussgrößen (jeweils Art der Schnittstelle und dazugehörige Flussgröße).

  • Elektrisch -> Strom

  • Mechanisch

    • eindimensional translatorisch -> Kraft

    • eindimensional rotatorisch-> Moment

    • dreidimensional-> Kraftvektor, Momentenvektor

  • Thermodynamisch

    • Wärmeaustausch ohne Materialfluss -> Energiestrom

  • Hydraulik -> Volumenstrom


Welche Attribute bestizen Variablen und Parameter in Modelica (mind. 5)?

  • Name

  • Wert

  • Einheit

  • (Displayunit, Anzeigeeinheit)

  • Minimalwert

  • Maximalwert

  • Startwert


Wie werden Potentialgrößen und Flussgrößen in einer Connector-Definition voneinander unterschieden?

  • mit dem sog. flow-Prefix für Flussgrößen

  • Potentialgrößen ohne Prefix


Welche Schnittstellenvariablen besitzt ein 3D-Flansch?

  • Potentialgrößen:

    • Postionsvektor

    • Transformationsmatrix

  • Flussgrößen:

    • Kraftvektor

    • Momentenvektor


Wieseo wird der Modellierungsansatz von Modelica als akausal bezeichnet?

Da es keine vorgegebene Berechnungsreihenfolge gibt. Die Berechnungsreihenfolge obliegt dem Solver.

Wie wird in der objektorientierten Modellierungssprache Modelica die Eigenschaften der Vererbung realisiert?

Durch Teilmodelle, die in übergeordnete Modelle mit extends integriert werden können.

Wie unterscheiden sich Blöcke eines Blockschaltbildes von Komponenten eines Strukturdiagramms in Modelica?

Blöcke definieren eine Signalflussrichtung mit Übertragungsfunktion.

Die Signalflussrichtung ist bei Komponenten nicht vorhanden.

Wie kann eine Signalverbindung eines Blockschaltbildes in eine Komponentenkopplung eines Strukturdiagrammes übertragen werden? Definieren Sie den entsprechenden Connector durch Angabe der verwendeten Potentialgrößen und Flussgrößen?

  • Durch eine Umwandlung eines Signals mittels einer Komponente (z.B. Aktuator) in eine Fluss/Potentialgröße.

Definition des Connectors:

connector RealOutput = output Real;



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Max W.

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