Berechnung der Nick-Dämpfung

[Bernhard Wienand]

Habe mal Formeln zur Berechnung der Nick-Dämpfung eines Nurflügels entwickelt und dazu eine Tabellen-Kalkulation mit etlichen Grafiken gebastelt und einen Text dazu geschrieben.

Hier im Anhang allerdings nur der Text als pdf.

Die Excel-Datei ist mit 192 MB leider als Anhang zu groß. Eine zip-Datei leider auch.
Wer aber Interesse an der Excel-Berechnung hat, melde sich bitte mit seiner Mail-Adresse, dann kann ich ihm die Datei zuschicken.

Anlass waren Formeln eines Horst Winklers in einem Artikel aus einer alten Modellflugzeitschrift, den mir Tomas Pellicci geschickt hatte.

Gruß, Bernhard

PS 6.3.: Jetzt habe ich mal einige Grafiken der Excel-Anwendung hochgeladen

[Ikarus-Pellicci]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Hallo Bernhard, kann mit der Grafik von Horst Winkler aushelfen bis deine ausführlichen Grafiken kleiner geworden sind .
Dämpfung ist eigentlich kein Kriterium in der Geräteprüfung.
Es zeigt nur das kleine Geräte mit hoher Streckung keine extra hohen Pitch -Werte brauchen.
Dank Horst Winkler

Dämpfungsmoment.doc

Tomas

[herc]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Bernhard, kennst Du Mathtype ? Damit kannst Du ganz einfach die Formeln direkt in Word schöner setzen:

http://mathtype.softonic.de/

einfach zusammenklicken, kein Einarbeitungsaufwand.

[Bernhard Wienand]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Hallo herc,

Danke für den Tip mit Math-Type.

Hab's mir mal zum Ausprobieren installiert.

Gruß, Bernhard

[kaimartin]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Hab's mir mal zum Ausprobieren installiert.

Wenn Du schon am ausprobieren bist, empfehle ich einen Blick auf LyX (http://lyx.org). Das hat eine an Office-Produkte erinnernde Benutzerschnittstelle, benutzt aber LaTeX für die Ausgabe. LaTeX ist für Formelsatz so etwas wie der Goldstandard. Der Vorteil von LyX besteht darin, dass man als Autor mit den LaTeX-Befehlen nur dann in Kontakt kommt, wenn man es ausdrücklich wünscht. Außerdem ist es Open Source und läuft unter allen gängigen Betriebssystemen.

---<)kaimartin(>---

[Horst Altmann]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Hallo Bernhard,

Wenn ich zu dieser Thematik etwas beitragen darf: Ich hatte vor einigen Jahren mit einem Panelverfahren zur aerodynamischen Modellierung eines Hängegleiters den vollständigen Satz an Derivativa mal durchgerechnet. Als Vergleichs-Wert könnte ich hier das Ergebnis angeben. Grundlage für die Berechnung war ein Intermediate Turm-Drachen. Als Nickdämpfung bzgl. dem Flügel-Schwerpunkt war das (dimensionslose) Ergebnis: Cmq = -0.8 (mit geringer Abhängigkeit vom Anstellwinkel). Der Wert passt meiner Erinnerung nach recht gut in die Daten, die man in der Literatur finden kann (zB Truckenbrodt: Aerodynamik des Flugzeugs).

Cmq ist dabei gemäß "Luftfahrt-Norm" gerechnet also: d Cm / d (q*lmue/V)

Cmq sollte gemäß Physik negativ sein - es ist eine Dämpfung. Deshalb sind die Kurven oben nicht so leicht nachvollziehbar.

Viele Grüße,
Horst

[dumdidum]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

schön!

ich bin ja eher der praktiker daher hab ich mal ein altes android handy zum messen der anstellwinkel über die zeit umgebaut, es werden 50 messwerte pro sekunde ermittelt und in eine csv datei geschrieben.
der elektronische winkelmesser in solchen smartphones arbeitet erstaunlich genau. Das Gerät wurde am Kielrohr befestigt.

hier mal die Ergebnisse von zwei Vögeln, direkt nacheinander geflogen mit gleichem Gurtzeug und unter identischen Bedingungen (Abgleiter).
Die Winkelangaben (links) muss man mit 180° Umrechnen.

fox 16,2m² Fläche, 120° Kielrohr etwa 25° bei Trimgeschwindigkeit


orbiter 14,6m² Fläche, 128° Kielrohr etwa 20° bei Trimgeschwindigkeit


Könnte der unterschied auf die unterschiedliche Dämpfung zurückzuführen sein?

[Horst Altmann]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Hallo dumdidum,

Kannst du zum besseren Verständnis deine Grafiken etwas erläutern?
Decken deine Plots jeweils 10 Sekunden Messzeit ab?
Du hast den Winkelmesser vermutlich fix am Kielrohr befestigt, oder? Dann misst du im stationären Flug den Nicklage-Winkel, nicht den Anstellwinkel. Da diese Geräte intern die gemessene Beschleunigung nutzen zur Lage-Feststellung muss man auch darauf achten, dass stationär geflogen wird, kein Abfangen und dergleichen.
Deine Grafiken geben daher vermutlich den Winkel zwischen Kielrohr und Horizont wider - das mag bei 2 vers. Geräten wegen anderer Segelbefestigung (Kieltasche) durchaus anders sein.

Mit Nickdämpfung hat das vermutlich nichts zu tun. Die Nickdämpfung kommt erst dann ins Spiel, wenn das Gerät eine Rotation um die Querachse durchführt, zB das Abnicken nach einem Stall (Männchen).

Grüße, Horst

[BeKu]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Mit Nickdämpfung hat das vermutlich nichts zu tun. Die Nickdämpfung kommt erst dann ins Spiel, wenn das Gerät eine Rotation um die Querachse durchführt, zB das Abnicken nach einem Stall (Männchen).

Das glaube ich nicht.

Die Diagramme zeigen, dass der Orbiter deutlich "kippliger" fliegt.
Dieses Phänomen ist üblich für Nurflügel mit geringer Nickdämpfung im Vergleich zu Flugzeugen mit (richtigem) Leitwerk und hoher Dämpfung.

Der SB13 der Akaflieg Braunschweig hat die fehlende Nickdämpfung das Genick gebrochen.

Sowas lässt sich m.M.n. aber nicht mit einfachen statischen/quasi-stationären Handrechnungen ableiten.
Schon gar nicht für den Tuck selbst.

Viele Grüße
B.

PS: Als ich das erste Mal meine GoPro abwechselnd am Dachen und im Segelflieger dabei hatte, ist mir danach beim Ansehen der Videos aufgefallen, wie unglaublich stark der Drachen umher eiert (giert und nickt). HG und Segelflieger sind natürlich nicht direkt vergleichbar. Ich wette aber, dass der Swift im Vergleich zum Archaeopteryx auch eine ziemliche "Nickschaukel" ist.

[M.Wagner]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Neben der Nickdämpfung kommt dabei wohl auch noch die größere Nachgiebigkeit vom Gestell dazu.. Das dürfte die Änderungen des (Kiel) Anstellwinkels zusätzlich vermindern...

[BeKu]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

@Bernhard

Hallo Bernhard,

was ist jetzt eigentlich Dein persönliches Fazit Deiner Untersuchung in Bezug auf die Entwicklung von HG?

Viele Grüße
B.

[BeKu]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Neben der Nickdämpfung kommt dabei wohl auch noch die größere Nachgiebigkeit vom Gestell dazu.. Das dürfte die Änderungen des (Kiel) Anstellwinkels zusätzlich vermindern...

Ja, das könnte sein.

Dummer Weise, wenn sich das Gestell verbiegt, dann ändert sich auch das Segel, und damit die Tragflächengeometrie, und dadurch die Aerodynamik.

Und schon ist man wieder bei den fiesen flexiblen Flächen...

[BeKu]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Habs wieder gefunden:
Schaut euch mal den Endanflug in diesem Video an:

http://youtube.com/watch?v=S82-N9-9w_Q

Mit Höhenleitwerk würde der Flieger im Endanflug drinliegen wie ein Brett.

Das interessante an der SB13 war, dass sie mit geringerem Stabilitätsmaß (Schwerpunkt weiter hinten) angeblich etwas besser flog.

Noch paar Videos von der SB13. Grauenhaft...

http://youtube.com/watch?v=GY6FJZF-hS4
http://youtube.com/watch?v=WqlYORF0-oQ

Hier traut sich der Pilot ab 3:00 nicht sagen, wie voll übel sich der Nurflügel fliegt:
http://youtube.com/watch?v=qbYX_evY9aA

VGB

[Bernhard Wienand]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Hallo kaimartin,

vielen Dank auch für Deinen Tip zur Darstellung mathematischer Ausdrücke. Werde ich auch probieren.

Ob aber mehr mathematische Sonderzeichen Formeln für Nicht-Mathematiker einfacher machen?

Wichtiger erscheint mir, dass die Formeln die Wirklichkeit (Physik, Natur) möglichst gut abbilden, so dass vertrauenswürdige Vorhersagen (Berechnungen) möglich sind.

Mir ging es darum, nachvollziehbar und möglichst verständlich aufzuzeigen, wie die Geometrie einer Fläche bzw. ihre wesentlichen Merkmale (Streckung, Pfeilung, ggf. Zuspitzung) die Dämpfung beeinflussen. Und um die Dämpfung gegenüber der Nick-Stabilität abzugrenzen.

Hallo Horst,

der Dämpfungsbeiwert bezieht sich, wie auch der Nick-Moment-Beiwert, natürlich wie üblich auf den Staudruck q, die Flächengröße und die Flügeltiefe, allerdings der Einfachheit halber nicht auf die aerodynamische Bezugsflügeltiefe, sondern auf die mittlere Flügeltiefe, die aber bei wenig Zuspitzung der aerodynamischen Flügeltiefe nahezu entspricht.

Ja, das Vorzeichen müsste, da die Kraft gegen die Drehrichtung wirkt, negativ sein. Aber ich meine, ein positives statt negatives Vorzeichen dürfte nicht zu Verständnisschwierigkeiten führen, zumal das Dämpfungsmoment (bei gleicher Drehrichtung) nicht das Vorzeichen wechselt. Den 'Laien' würde m.E. ein negatives Vorzeichen eher irritieren. Beim Nick-Moment ist es etwas Anderes.

Ein Beiwert von -0,8 (0,8) ergibt sich nach meinen Formeln z.B. für einen Flügel mit 30 Grad Pfeilung (bezogen auf die Flügelmittellinie) und einer Streckung von knapp 9,5.
Aber wie in meinem erläuternden Text schon gesagt: Die Umströmung einer sich drehenden Fläche ist nur schwer festzustellen, und davon, bzw. von den dazu gemachten Annahmen, hängt das Drehmoment nicht unwesentlich ab.

Hallo dumdidum,

wenn Deine interessanten Messungen auch methodische Mängel haben mögen, so weiß ich jedenfalls, was gemeint ist, und sie stellen sicher auch den Anstellwinkel über der Zeit dar, wenn auch Mess-Störungen unterworfen.

Deine Frage, wie weit bei den geringeren Schwankungen des 16,2 qm großen Fox gegenüber dem 14,6 qm großen Orbiter bei gleichem Pilotengewicht die Nick-Dämpfung mit im Spiel ist, ist nur bedingt zu beantworten.

Auf den ersten Blick würde man sagen, na klar, größere Fläche = größere Nick-Dämpfung = ruhigerer Flug.

Wie genau der Anstellwinkel eingehalten wird, ist aber in erster Linie eine Sache der Nick-Stabilität. Je höher die Nick-Stabilität, desto stärker die Rückstellkraft, wenn durch Störungen vom Soll-Anstellwinkel abgewichen wird. Dies wird aber oft der Nick-Dämpfung zugeschrieben, die, wie Horst ja schon gesagt hat, eine Funktion der Drehgeschwindigkeit ist, nicht aber der Abweichung vom Soll-Anstellwinkel.

Dann ist natürlich noch die Flexibilität des Gestells bzw. die Segelspannung zu berücksichtigen, wie M.Wagner erwähnt hat.
Sie verschlechtert sowohl die Nick-Stabilität wie auch die Nick-Dämpfung, jedenfalls beim Andrehen.

Schließlich spielt auch noch die Nick-Trägheit eine Rolle, die eine Phasenverschiebung bewirkt und so ggf. ebenfalls zur Glättung einer Bewegungslinie beitragen kann.

Dann kommt noch der Flugstil des Piloten dazu, wie locker oder wie hektisch er fliegt. Hektische Steuerbewegungen um die Querachse werden natürlich durch mehr Nick-Dämpfung besser gedämpft.

Hallo Bertram (Beku),

für die Auslegung und den Bau eines Drachens ist Nick-Stabilität oberstes Gebot, die Nick-Dämpfung ist zweitrangig bzw. ergibt sich als 'Abfallprodukt' der Nick-Stabilität, denn Streckung und Pfeilung verbessern beide Eigenschaften.

Die SB-13 hat m.W. nicht nur eine geringe Nick-Dämpfung sondern auch eine geringe Nick-Stabilität. Außerdem kommen/kamen bei ihr Flügelschwingungen aufgrund der Torsion eines gepfeilten Flügels mit ins Spiel.

Richtig ist wiederum auch, dass ein Gerät mit wenig Nick-Stabilität sehr empfindlich und zickig auf die Steuerung um die Querachse reagiert. Hier hilft Nick-Dämpfung gegen die Gefahr des Übersteuerns und Aufschaukeln. Besser ist aber, die ursächlich hierfür verantwortliche Nick-Stabilität etwas zu erhöhen, auch wenn dies theoretisch etwas Leistung kostet. Die engere Führung am optimalen Soll-Anstellwinkel durch mehr Nick-Stabilität führt andererseits in der Praxis aber auch zu mehr Leistung.

So weit vorerst, denn jetzt muss ich unbedingt das schöne Wetter nutzen.

Vielen Dank Euch allen für die interessanten Beiträge.

Gruß, Bernhard

[BeKu]

AW: Berechnung der Nick-Dämpfung

Die SB-13 hat m.W. nicht nur eine geringe Nick-Dämpfung sondern auch eine geringe Nick-Stabilität. Außerdem kommen/kamen bei ihr Flügelschwingungen aufgrund der Torsion eines gepfeilten Flügels mit ins Spiel.

Hallo Bernhard,

glaub Du hast mich falsch verstanden:
Die SB13 hatte in ihrer Erstauslegung eher zu viel Nickstabilität!!

Mit weiter nach hinten verlegtem Schwerpunkt (geringeres Stabilitätsmaß) flog sie angeblich besser, weil sie auf Böen weniger nervös reagierte und niederfrequente Oszillationen mit dem Küppel dann leichter ausgesteuert werden konnten. Im Netz gab's hierzu irgendwo eine Beschreibung.

Statische Stabilität hat ja nichts mit "Horizontrierung" zu tun; sie versucht den Anstellwinkel - leider auch gegenüber "falscher Anströmung" einer Störung - durch Heben/Senken der Rumpfnase "einzustellen". Wenn das zu schnell und ungedämpft geschieht, kann das auch von Nachteil sein.

Viele Grüße
B.