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Flugsimulation

Fragen

PC
von Pablo C.

Welche Haupt-Komponenten enthält das Simulationsmodell eines Flugsimulators für die Ausbildung?

  • Flugzeugumgebung

  • Flugdynamik

  • Flugzeugsysteme


In welche Komponenten kann das Simulationsmodell für die Flugzeugumgebung gegliedert werden? (6)

  • Gravitation

  • Wind

  • Atmosphäre

  • Topographie

  • Magnetfeld

  • Radiosignale


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

  • Aerodynamik

  • Triebwerk

  • Massenverteilung

  • Bodenkontakt


Welche Komponenten enthält das Simulationsmodell für die Flugzeugsysteme? Nennen Sie 4 Komponenten!

  • Sensorik

  • Avionik

  • Fahrwerk

  • Elektrik

  • Hydraulik

  • Pneumatik


In welche Teile kann ein Windmodell gegliedert werden?

  • Konstanter Windanteil

  • Turbulenter Windanteil


Wie verläuft die Windrichtung in großer Höhe auf der Nordhalbkugel bezogen auf ein Hoch und ein Tief?

-> Parallel zu den Isobaren

  • Hochdruckgebiet gegen den Uhrzeigersinn

  • Tiefdruckgebiet im Uhrzeigersinn


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

-> Die Windgeschwindigkeit nimmt ab (am Boden ist die Windgeschwindigkeit gleich 0, wie bei einer Grenzschicht)

Welche Turbulenzstufen unterscheidet das Dryden-Modell?

  • Leicht

  • Mittel

  • 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?

  • Über die Software zur Darstellung der Aussensicht (Out-of-TheWindow view, OTW)

    -> Flugmodell (Flight Model, FM) und die Sichtsystemsoftware sind gekoppelt


Welche Typen von Sendeanlagen müssen für die Simulation der elektromagnetischen Umgebung eines Flugzeuges berücksichtigt werden? (6)

  • VOR (VHF omni-directional radio range)

  • DME (Distance Measuring Equipment)

  • TACAN (Tactical air navigation aid) = VOR/DME mit höherer Genauigkeit für Militär

  • Marker -> Outer Marker (OM)

  • Localizer (ILS)

  • Glideslope (ILS)

  • NDB (Non directional beacon)


Beschreiben Sie den Modellierungsansatz eines 6DOF-Starrkörpermodells!

Beim Modellierungsansatz eines Starrkörpermodells mit 6 Freiheitsgraden (Degrees Of Freedom) wird das Flugzeug als ein starrer Körper beschrieben, an dem neben der Gewichtskraft die verschiedenen äußeren Kräfte (aerodynamische Kräfte, Triebwerksschub, Bodenkontaktkräfte) und Momente um den Schwerpunkt angreifen.

Beschreiben Sie den Modellierungsansatz eines Mehrkörpermodells mit flexibler Kopplung!

Im Gegensatz zum Starrkörpermodell wird bei einem Mehrkörpermodell das Flugzeug in mehrere Teilkörper mit jeweils eigener Masse gegliedert. Die Kopplung dieser Teilkörper wird durch ihre Schnittstellenkräfte und -momente beschrieben.

Nennen Sie die Zustandsgrößen der Bewegungsgleichungen eines Starrkörpermodells!

  • Translation

    • V, alpha, beta

    • u,v,w

  • Rotation

    • p, q, r,

  • Lage

    • phi, theta, psi -> Quaternionen auch möglich

  • Position

    • x, y, z -> Vector aus drei Komponenten


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

  • Da bei den Eulerwinkeln eine Singularität bei +-90° Pitch entsteht [Teilung durch cos(theta)] -> bei Quaternionen nicht

  • 4 Quaternionen statt 3 Eulerwinkel -> dafür eine Zwangsbedingung, dass die Summe aller Quaternionen gleich 1 ist.

     


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

-> bei der Betrachtung einer kleinen Umgebung um den Referenzpunkt


Ausgehend eines Modells der flachen Erde, wobei die Erdbeschleunigung näherungsweise festgelegt ist mit der nominellen Erdbeschleunigung, welcher Effekt wird dann nicht berücksichtigt?

-> Zentrifugalkraft

Welchen Vorteil bietet die Verwendung des geozentrisch-äquatorialen Koordinatensystems anstelle des geozentrisch-erdfesten kartesischen WGS84-Koordinatensystems als Inertialsystem für Herleitung der Navigationsgleichungen?

Das geozentrisch-äquatorialen Koordinatensystems ist ein raumfestes Koordinatensystem (Inertialsystem).

-> Die Erddrehung wird daher im erdfesten Koordinatensystem nicht berücksichtigt.

Nennen Sie 2 Gründe, wieso die Massenverteilung eines Flugzeuges nicht konstant ist.

  • Treibstoff wird verbraucht

  • Lastumverteilung durch bewegliche Teile (z.B. Fahrwerk, usw.)


Was versteht man unter einer Einpunkt-Aerodynamik?

Die aerodynamische Kräfte und Momente werden nur vom Gesamtflugzeug berechnet und nicht an einzelnen Stellen

-> Berechnung/Betrachtung der Anströmung nur an einem Punkt des LFZ

Nennen Sie 5 Einflussgrößen, die sich auf die aerodynamischen Kräfte und Momente auswirken!

  • Geschwindigkeit (Machzahl)

  • Drehgeschwindigkeiten

  • Dichte

  • Kontrollflächenausschlag

  • Hebelarm der Kontrollflächen

  • Anstellwinkel

  • Schiebewinkel

  • Staudruck


Was sind aerodynamische Scharniermomente?

Die Momente, die an den Scharnieren der Steuerflächen wirken -> Wichtig für Übertragung der Kräfte auf dem Stick.

-> Es wirken aber auch:

  • Trägheitsmomente

  • Gewichte an Rudern

  • Steuerkräfte


Erklären Sie das Zustandskommen des Abwindwinkels (Downwash) am Höhenruder!



Beschreiben Sie den Begriff Mehrpunkt-Aerodynamik?

  • Aerodynamische Kräfte und Momente werden an mehreren Stellen des LFZ ausgerechnet

    -> genauere Beschreibungen möglich, wie z.B. Trudeln


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

  • CFD-Methode (Computational Fluid Dynamics)

  • Gliederung/Aufteilung in Segment des LFZ


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

Mehrpunkt-Aerodynamik mit Aufteilung in Segmente des Flugzeugs

-> CFD zu rechenintensiv

Beschreiben Sie den Modellierungsansatz der Simulationssprache Modelica!

  • Komponentenorientierte Simulation -> Signale nicht gerichtet…

  • akausale Modellierung dynamischer Systeme mit graphischem Interface

  • Gleichungen sind auch als solche hinterlegt und implizieren keine Berechnungsrichtung

  • Komponenten sind durch Komponentengleichungen beschrieben

  • Verbindungen durch Verbindungsgleichungen

  • Verbindungsgleichungen können Potentialgleichungen (alle Potentialvariablen darin sind gleich) oder Flussgleichungen sein (alle Flussvariablen bilden Nullsumme)

  • bestimmte Typen von Variablen haben inhärente Eigenschaften, wie z.B. Winkel mit Berechnungswert in RAD und Darstellungswert in DEG


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

Ein Strukturdiagramm hat:

  • Komponenten -> kein gerichteten Signalfluss

  • keine Berechnungsreihenfolge -> ist akausal


Was ist in Modelica einer der wesentlichen Eigenschaften einer Potenzialgröße?

  • Sie stellt ein Energieniveau/Potential dar (z.B. Position (p) ist eine Potentialgröße)

  • alle Potentialgrößen sind gleich in einer Potential-Verbindungsgleichung


Was ist in Modelica einer der wesentlichen Eigenschaften einer Flussgröße?

  • Alle Flussgrößen bilden zusammen eine Nullsumme in einer Flussvariablen-Verbindungsgleichung (z.B. Kraft (f) ist eine Flussgröße)


Nennen Sie 3 Beispiele von Potenzialgrößen (jeweils Art der Schnittstelle und dazugehörige Potenzialgröße)!

  • elektrische Schnittstelle -> Spannung

  • thermodynamische Schnittstelle -> Temperatur

  • mechanische Schnittstelle (Translation) -> Position

  • mechanische Schnittstelle (Rotation) -> Winkel

  • hydraulische Schnittstelle -> Druck

  • 3D: T- Positionsvektor, R- Trafo-Matrix


Nennen Sie 3 Beispiele von Flussgrößen (jeweils Art der Schnittstelle und dazugehörige Potenzialgröße)!

  • elektrische Schnittstelle -> Strom

  • thermodynamische Schnittstelle -> Wärme-/Energiestrom

  • mechanische Schnittstelle (Translation) -> Kraft

  • mechanische Schnittstelle (Rotation) -> Moment

  • hydraulische Schnittstelle -> Volumenstrom (nur bei inkompressiblen Strömungen)

  • 3D: T- Kraftvektor, R- Momentvektor


Welche Attribute besitzen Variablen und Parameter in Modelica?

  • Minimum

  • Maximum

  • Wert (- Startwert)

  • Berechnungseinheit

  • Anzeige-/Darstellungseinheit (display unit)

  • Name

  • true/false


Wie werden Potenzialgrößen von Flussgrößen in einer Connector-Definition voneinander unterschieden?

  • Potentialgrößen ohne Präfix

  • Flussgrößen mit Präfix „flow“


Welche Schnittstellenvariablen besitzt ein 3D-Flansch?

  • Potentialgrößen

    • Positionsvektor (3D)

    • Winkelvektor (3D) oder Transformationsmatrix

  • Flussgrößen

    • Kräftevektor (3D)

    • Momentenvektor (3D)


Wieso wird der Modellierungsansatz von Modelica als akausal bezeichnet?

  • keine Berechungsreihenfolge / Wirkrichtung vorgegeben

  • Gleichungen sind als solche hinterlegt und müssen nicht in der geschriebenen Form gelöst werden

    -> Modelica formt Gleichungen in passende Form um, bei der Vorverarbeitung der Simulation


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

-> Durch die Einführung von Teilmodellen

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

  • Blöcke haben gerichtete In- und Outputs

    -> Komponenten nicht (die haben Konnektoren ohne vorgeschriebene Wirkrichtung)

  • Als Verbindung zwischen Blöcken sind nur Potentialvariablen möglich

    -> bei Komponenten auch Flussvariablen


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

  • Definieren eines „connetors“

    -> connector RealInput = input Real;


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Author

Pablo C.

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