Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

[MalteJ]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Zur grauen Theorie: Zur Modellierung sollte man den Piloten und den Gleitschirm als gekoppeltes 2-Körper-System sehen. Malte, so macht du es auch oder?

Nein, dafür habe ich bisher keinen Anlass gesehen.

Mein Vorgehen sieht wie folgt aus:
Ich habe ein Gleitschirmsystem, welches über ein lokales Koordinatensystem verfügt, das um phi gegenüber dem globalen Koordinatensystem gedreht ist. Nun habe ich drei Objekte: Gleitschirm, Leinen und Pilot, die über eine Masse und ein Trägheitsmoment verfügen. Außerdem erzeugen sie aerodynamische Kräfte, die parallel bzw. senkrecht zur Anströmung (alpha) stehen. Die Positionierung der Objekte und damit der Kraftangriffspunkte erfolgt über die Variable x_rel. Anhand der Massen und Positionen berechne ich den Schwerpunkt und das Trägheitsmoment des Systems. Um diesen Schwerpunkt berechne ich nun Momente, aus denen ich dann die Rotationsbeschleunigung berechne, und Kräfte, die wiederum eine translatorische Beschleunigung erzeugen.
Zur Integration nutze ich das klassische Runge Kutta Verfahren vierter Ordnung.
Was sich für die Nickdämpfung als sehr wichtig herausgestellt hat, ist, dass die Luftgeschwindigkeit der einzelnen Objekte, die in die Berechnung der aerodynamischen Kräfte und Momente einfließt, auch an der jeweiligen Position berechnet wird (durch Rotation erzeugte Umfangsgeschwindigkeit omega x r). Also dass der Schirm, wenn er gerade vornickt, mit einer höheren Geschwindigkeit gerechnet wird, als der Pilot.

Ist denn der Einfluss des Pendelns des Piloten um die Karabiner so groß?
Ich stell mir z.B. vor ich bin im Sackflug und lasse den Schirm anfahren. Der Schirm nickt vor, dreht sich um die Karabinerlinie. Ich als Pilot pendel dann ruckzuck nach, sodass der Winkel zwischen Pilot und Leinenebene gar nicht so groß geändert wird. Allerdings hab ich weniger Trägheitsmoment für den Schirm-Körper während er vornickt.

Hast du mal verglichen, wie groß die Unterschiede sind, wenn du den Piloten starr anbindest - also den Winkel Pilot/Leinen fixierst?

Ich habe derzeit noch das Problem, dass ich bei manchen Konfigurationen extreme Ausschläge bekomme. Das kann aber auch noch an der Polare liegen. Ich habe einfach eine NACA2216 Polare genommen und den Auftrieb mit 0,6 und den Widerstand mit 3,0 multipliziert.
Hast du nicht eine nette Polare für mich, Horst?

Gruß,
Malte

EDIT: Wenn ich mir das auf dem Video so ansehe (Extrembeispiel Stall bei 1:10), dann pendelt der Pilot vielleicht um max. 10-15° gegenüber dem Schirm. Ich bezweifel, dass dies große Auswirkungen hat, aber eine genauere Analyse würde mich sehr interessieren.

[Tobi R.]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Interessante Diskussion!
Habe darüber auch schon einige mal nachgegrübelt.
Ich denke das der Luftwiderstand überhaupt keinen dauerhaften Einfluss auf den Anstellwinkel des Gleitschirms haben kann! Zumindest in einem in der Fliegerei sinnvollen Zeitintervall. Soweit zur Fragestellung vom Anfang.

Gerätekunde A-Schein:
Beim Gleitschirm handelt es sich um ein sich selbst stabilisierenden System.
Dies bedeutet das der Pilot im Gurtzeug immer wieder an die durch die Trimmung (Leinenlängen) vorgegebene Position „fällt“. Dies Position ist der bzw. die Einhängepunkte an den Tragegurten.
Der Schirm kann nicht schneller fliegen als das Gurtzeug da er ja daran festgebunden ist.
Also wird das Gurtzeug langsamer muss der Schirm auf den Gurt warten bis er wieder an der Position hängt welche der Konstrukteur für richtig gehalten hat. Dieser ist immer genau soundso viele mm von Aufhängepunkt A weg und soundso viele mm von Aufhängepunkt B usw.
Will ich den Anstellwinkel dauerhaft verändern muss ich immer die Leinenlänge verändern.
Die Gravitation wirkt ja auf den Schirm immer an den Aufhängepunkten und da die Verbindung mit den Karabinern ja ein Gelenk darstellt wirkt sie immer senkrecht zur Erdoberfläche. Deshalb auch selbststabiliesierend...
Mit diesen Überlegung könnte ich auch gut die Geschwindigkeitszunahme bei höherem Luftwiderstand erklären.
Betrachtet man den Schirm wirkt auf die Einhängepunkte die Kraft F_G. Diese wird maßgeblich durch das angehängte Gewicht bestimmt aber auch indirekt durch den Luftwiderstand. Eine Schrankwand quer durch den Sturm zu schieben braucht halt mehr Kraft als für längs obwohl sie gleich viel wiegt.
Erhöhe ich nun den Widerstand im Gurtzeug erhöhe ich auch indirekt F_G an den Aufhängepunkten des Schirms. Diese wirkt durch das Gelenk aber weiterhin senkrecht nach unten wenn ich dem System die Zeit gegeben habe sich zu stabilisieren.
Und mehr Gewicht unter dem Schirm desto schneller ist dieser aber auch mehr sinken pro Zeiteinheit durch die Erhöhung von F_G.


So hoffentlich geht es nun bald wieder zu Fliegen...

[MalteJ]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Das Problem mit der Gerätekunde/Aerodynamik A-Schein und der Lehrmeinung ist, dass das so im Flugbetrieb zwar ganz gut funktioniert, aber die Theorien oft nicht einer Überprüfung standhalten.

Alleine durch logisches Nachdenken kommt man glaube ich in dem Anstellwinkel-Problem nicht ganz ans Ziel. Da stecken Nicht-Linearitäten drin, die nicht ohne weiteres überschaubar sind. Natürlich kann man mit der Erfahrung an die Sache drangehen und kommt letztendlich auf ein für die Praxis fast genauso relevantes Ergebnis (der Anstellwinkel bleibt gleich, oder verändert sich nur unwesentlich), aber was ist es nun? Bleibt der Anstellwinkel gleich oder verändert er sich?

Gruß,
Malte

[BeKu]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Hallo Malte,

wow, da hast Du Dich ja richtig ins Zeug gelegt!
Klasse, sehr interessant - vielen herzlichen Dank!

Für mich zunächst überraschend war, dass der Einfluss auf den Anstellwinkel gar so mickrig ist.
Mittlerweile konnte ich’s mir aber mit folgender Vereinfachung – die streng genommen nur für ganz kleine Winkel gilt – zumindest „bildlich“ plausibilisieren:

Mit Bremsschirm (Widerstandszuwachs: W_BS) ändert sich der Nickwinkel um die Größenordnung W_BS/G_Pilot.
Der Gleitwinkel verschlechtert sich dagegen weniger stark, und zwar nur um etwa W_BS/G_gesamt.

Die Änderung des Anstellwinkels ist die Differenz beider Winkel, also:

DeltaAlfa = - W_BS* (1/G_Pilot – 1/G_gesamt) (in Bogenmaß)

Wenn ein Bremsschirm zusätzlich mit 3 kg am Gurtzeug zerrt, ergibt sich (in Grad):

DeltaAlfaInGrad = -3*(1/90 – 1/100)*180/PI = -0,19 Grad

Solange das Gewicht der Kappe nur einen sehr geringen Anteil am Gesamtgewicht ausmacht (und der Widerstandszuwachs gering ist), ändert sich offensichtlich der Anstellwinkel kaum. Würde auch gut zu Deiner Rechnung passen.

Hoffe ich hab mich jetzt nicht grob vertan…

Drachenfliegergrüße
B.

[Tobi R.]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Bleibt der Anstellwinkel gleich oder verändert er sich?

Gruß,
Malte

Er ändert sich nicht!

Stell dir vor, du hältst den Schenkel eines Scharniers in deiner Hand. Der andere frei bewegliche wird immer lotrecht nach unten hängen egal in welch Position du den oberen bringst.
Die berechneten Winkeländerungen werden immer am Drehpunkt kompensiert. Und der ist nun mal beim Gleitschirm der Einhängepunkt.
Natürlich kann man das Problem bis auf die kleinste Millisekunde herunter rechnen aber zu einem bestimmten Zeitpunkt sagen wir 1 min nach dem Start im Normalflug bei ruhiger Luft ist der Anstellwinkel des Schirmes gleich egal was darunter hängt. Und das war doch die Frage vom Anfang oder?

Grüße, Tobi!

[soundglider]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Ruhig Blut, ihr habt alle Recht!!!

Betrachten wirs mal etwas analytischer:

1. Der resultierende Vektor aus Pilotengewicht + Pilotenwiderstand muss im stationären Flug immer auf der gleichen Kraftangriffslinie sein wie der resultierende Vektor der Luftkräfte, die auf die Kappe wirken.
2. Nimmt der Pilotenwiderstand zu, neigt sich der Vektor aus Pilotengewicht+-widerstand nach hinten. Betragsmäßig ändert er sich zunächst fast nichts.
3. Entsprechend muss sich also - um das Kräftegleichgewicht zu erfüllen - der Luftkraftvektor nach vorne neigen.

Zusätzliche Infos:
- Näherungsweise kann man sagen, dass der Widerstand quadratisch zum Auftrieb ansteigt, wobei der Auftrieb relativ linear zum Anstellwinkel ansteigt.
- Die Geschwindigkeit beeinflusst nur den Betrag der resultierenden Luftkräfte, das Verhältnis zwischen den Kräften bleibt etwa gleich

Welche Möglichkeiten gibt es für diese Neigung des Vektors?
- Anstellwinkelverkleinerung + Geschwindigkeitserhöhung
- Änderung des Gleitwinkels

In der Realität ist es eine Kombination der Anpassung aus allen drei Variablen, entsprechend dem Gleichgewicht, dass sich aufgrund der Widerstandszunahme des Piloten und der Leinen bei Geschwindigkeitserhöhung ergibt. Unter Umständen kann das sogar zu einem Geschwindigkeitsdefizit führen, wenn der Gleitwinkel schlechter wird und der Pilotenwiderstand das Pilotengewicht zum Teil kompensiert.

Daher kann ich mir auch vorstellen, dass es im Falle der Wettkampfkonfiguration von Ferdinand tatsächlich zu einem Geschwindigkeitsgewinn geführt hat (vollbeschleunigt, flacher Gleitwinkel), beim schlechteren Schirm und stärkerer Bremsung von Horst wiederum zu keinem relevanten Unterschied in der Geschwindigkeit. In Maltes Simulation nimmt die Gesamtgeschwindigkeit sogar leicht ab, obwohl der Anstellwinkel leicht sinkt.

Mein Fazit: Es kommt auf die Konfiguration, die Polare und das Verhältnis zwischen den einzelnen Variablen an.

[MalteJ]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Stell dir vor, du hältst den Schenkel eines Scharniers in deiner Hand. Der andere frei bewegliche wird immer lotrecht nach unten hängen egal in welch Position du den oberen bringst.

Und wer hält meinen Gleitschirm oben fest?

Die berechneten Winkeländerungen werden immer am Drehpunkt kompensiert. Und der ist nun mal beim Gleitschirm der Einhängepunkt.

Sicher?
Wen ich SATte, dann dreht sich das System nicht um den Einhängepunkt...

Ich halte die Argumentation für zu kurz.

Gruß,
Malte

[MalteJ]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Mein Fazit: Es kommt auf die Konfiguration, die Polare und das Verhältnis zwischen den einzelnen Variablen an.

Frage an Radio Eriwan: "Macht es Sinn sich aufzurichten, wenn man mehr Groundspeed haben will?"
Antwort: "Im Prinzip nein, wenn aber die Polare deines Schirms, Pilotengewicht, Widerstand und Schirmeigenschaften besonders korrelieren, dann schon."

[Tobi R.]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Und wer hält meinen Gleitschirm oben fest?

Keiner! Schei.. Schwerkraft
Nur wer hält dein GZ unten fest?
Stell es dir einfach anders herum vor ...

Sicher?
Wen ich SATte, dann dreht sich das System nicht um den Einhängepunkt...

Ich halte die Argumentation für zu kurz.

Gruß,
Malte

Es könnte auch Meteor einschlagen während du im SAT’est und dann ergeben sich völlig neue Drehrichtungen ...

Ich halte das Flugwetter einfach für zu schlecht!

Grüße!

[nikolaus]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

"Im Prinzip nein, aber ..."

Ja, den Verdacht hatte nach der letzten Diskussion auch schon. Mit besserer Datenlage wird man das zwar noch genauer eingrenzen können, aber der praktische Nutzen wird sehr begrenzt sein.

Praktisch interessant bleibt vielleicht die Frage nach der Klapperanfälligkeit, aber solange wir keine verlässliche Aussagen über Anstellwinkel und Strömungsgeschwindigkeit machen können, bleibt nur die praktische Erfahrung. Wobei ich eigentlich zu der Ansicht tendiere (s. testpilot), dass ein voll beschleunigter Zweileiner, mit 65 kmh(?) lieber nicht noch weiter beschleunigen sollte, solange der Pilot sein Gewicht nicht nachhaltig erhöhen kann.

Ferdinands Experiment könnte zumindest noch für Zielanflüge mit zum Boden hin abnehmendem Gegenwind nützlich sein.

LG Jochen

[Horst Altmann]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Ist denn der Einfluss des Pendelns des Piloten um die Karabiner so groß?
Ich stell mir z.B. vor ich bin im Sackflug und lasse den Schirm anfahren. Der Schirm nickt vor, dreht sich um die Karabinerlinie. Ich als Pilot pendel dann ruckzuck nach, sodass der Winkel zwischen Pilot und Leinenebene gar nicht so groß geändert wird. Allerdings hab ich weniger Trägheitsmoment für den Schirm-Körper während er vornickt.

Hast du mal verglichen, wie groß die Unterschiede sind, wenn du den Piloten starr anbindest - also den Winkel Pilot/Leinen fixierst?

Ich habe derzeit noch das Problem, dass ich bei manchen Konfigurationen extreme Ausschläge bekomme. Das kann aber auch noch an der Polare liegen. Ich habe einfach eine NACA2216 Polare genommen und den Auftrieb mit 0,6 und den Widerstand mit 3,0 multipliziert.
Hast du nicht eine nette Polare für mich, Horst?

Hallo Malte,

Eine vollständige Modellierung und Dynamik-Simulation hab ich ja auch schon mal probiert (zB hier: http://www.youtube.com/watch?v=vzd0dPtyZaA) und dabei fand ich's schon wichtig Pilot und Schirm als zueinander nick-entkoppelt anzusehen. Der Pilot ist halt im Vergleich zum Schirm deutlich schwer und würde so mit seiner Trägheit die Nickbewegung deutlich beeinflussen. Jedenfalls hat's, soweit ich mich erinnern kann, mit der Nickentkoppelung realistischere Ergebnisse gegeben. Hab mal ein offensichtliches Beispiel angehängt. Wär der Pilot fix am Schirm müsste er mit dem Gesicht nach unten runterfallen. Ich denke, das Modell mit dem Gelenk zwischen Gurtzeug und Schirm macht schon Sinn.

Für dieses Thema nehm ich keine Zeit-Simulation sondern rechne den stationären Trimm-Punkt aus, also das was du in deiner Simulation nach langer Zeit als stationären Zustand bekommst. Bei dynamischen Simulationen habe ich auch gesehen, dass man zB die lokalen Geschwindigkeiten an den Leinen nehmen soll, das beeinflusst das Ganze durchaus. Gerade die Leinen dämpfen dann realistisch.

In dem 2-Körper-Modell ist zusätzlich im Gelenk eine "Feder" reinmodelliert. Setzt man die Steifigkeit auf Null hat man das entkoppelte 2-Köper-Modell, setzt man die Steifigkeit recht hoch bekommt man quasi das 1-Körper-Modell. Im Hinblick auf den Einfluss Piloten-Widerstand ---> Geschwindigkeit macht das nur einen kleinen offset aus, das Resultat "Pilot-Widerstand ändert die Fluggeschwindigkeit nicht" bleibt aber. --> GurtzeugTrimm.tif . Hochladen klappt mal wieder nicht :-(

Aero-Modell für dich kommt noch.

Dein Video kann ich erst heut abend anschauen.

Grüße, Horst

[Horst Altmann]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Hier noch mal der Versuch des Hochladens: Im Bild oben steigt der Piloten-Widerstand entlang der x-Achse an. CD=0.005 ist etwa Wettkampf-Gurtzeug, CD=0.01 etwa ein offenes GZ. Wie schon oben ausgeführt sagt die (graue) Theorie, dass mit steigendem Piloten-Widerstand der Anstellwinkel minimäßig abnimmt und die Geschwindigkeit ein klitzekleinbisschen zunimmt. Die Auswirkung auf Gleitzahl aber ist dramatisch ...
1KM: Pilot am Schirm fixiert
2KM: Pilot vom Schirm nick-entkoppelt

Im unteren Bild das Entsprechende wenn man den Leinen-Widerstand betrachtet, CD=0.01 ist etwa typisch.

Grüße, Horst

[Horst Altmann]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Und hier noch das Aero-Modell für Malte (der hat doch CFD?):
alfa = 0.0: CA=0.154, CWi+CWf=0.032, Cm=-0.074
alfa = 2.0: CA=0.288, CWi+CWf=0.031, Cm=-0.119
alfa = 4.0: CA=0.422, CWi+CWf=0.034, Cm=-0.164
alfa = 6.0: CA=0.556, CWi+CWf=0.040, Cm=-0.207
alfa = 8.0: CA=0.689, CWi+CWf=0.050, Cm=-0.249
alfa = 10.0: CA=0.820, CWi+CWf=0.062, Cm=-0.289
alfa = 12.0: CA=0.950, CWi+CWf=0.078, Cm=-0.327

Cm gilt für die Flügel-Nase. Ausgelegte Streckung ca. 5,5.

Grüße, Horst

[soundglider]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Was nützt CFD ohne eine passende Realgeometrie?

Könnte auch sehr schnell eine qualitativ hochwertige, detaillierte Strömungssimulation durchführen, wenn ich die passende Geometrie dafür hätte....

[Horst Altmann]

AW: Auswirkung eins Sitzgurtzeugs bei schnellen Schirmen

Was nützt CFD ohne eine passende Realgeometrie?

Könnte auch sehr schnell eine qualitativ hochwertige, detaillierte Strömungssimulation durchführen, wenn ich die passende Geometrie dafür hätte....

Hallo soundglider,

Könntest du dir dafür einfach mal einen idealisierten Schirm basteln und vernetzen? Für Grundsatz-Studien wie hier wär das ja sicher ausreichend und eine grossartige Bereicherung.
Welches CFD-Tool kannst du verwenden? Deine Ergebnisse würden hier sicher viele interessieren.

Grüße, Horst