Flugumschlag - Flight envelope

Flugkurvendiagramm.

In der Aerodynamik bezieht sich der Flugbereich , der Dienstbereich oder der Leistungsbereich eines Luft- oder Raumfahrzeugs auf die Fähigkeiten einer Konstruktion in Bezug auf Fluggeschwindigkeit und Lastfaktor oder atmosphärische Dichte, die für erdgestützte Flugzeuge oft auf Höhe vereinfacht wird. Der Begriff wird etwas locker verwendet und kann sich auch auf andere Maße wie die Manövrierfähigkeit beziehen. Wenn ein Flugzeug gestoßen wird, zum Beispiel durch Tauchen mit hoher Geschwindigkeit, wird es "außerhalb der Hülle" geflogen, was als ziemlich gefährlich gilt.

Flight Envelope ist einer von mehreren verwandten Begriffen, die alle auf ähnliche Weise verwendet werden. Es ist vielleicht der gebräuchlichste Begriff, weil es der älteste ist und erstmals in den frühen Tagen des Testflugs verwendet wurde. Es ist eng verwandt mit moderneren Begriffen, die als zusätzliche Leistung und Doghouse-Plot bekannt sind und unterschiedliche Arten der Beschreibung eines Flugumschlags sind. Darüber hinaus wurde der Begriff außerhalb des Ingenieurwesens erweitert, um sich auf die strengen Grenzen, in denen ein Ereignis stattfindet, oder allgemeiner auf das vorhersehbare Verhalten eines bestimmten Phänomens oder einer bestimmten Situation und damit auf seine "Flughülle" zu beziehen ".

Zusätzliche Leistung

Zusätzliche Leistung oder spezifische Überschussleistung ist eine sehr grundlegende Methode zur Bestimmung des Flugbereichs eines Flugzeugs. Es ist leicht zu berechnen, sagt aber als Nachteil nicht viel über die tatsächliche Leistung des Flugzeugs in verschiedenen Höhen aus.

Die Wahl eines bestimmten Parametersatzes erzeugt die benötigte Leistung für ein bestimmtes Flugzeug unter diesen Bedingungen. Zum Beispiel benötigt eine Cessna 150 in einer Höhe von 2.500 Fuß (760 m) und einer Geschwindigkeit von 90 Meilen pro Stunde (140 km/h) ungefähr 60 PS (45 kW), um gerade und eben zu fliegen. Die C150 ist normalerweise mit einem 100-PS-Motor (75 kW) ausgestattet, so dass das Flugzeug in diesem speziellen Fall eine zusätzliche Leistung von 40 PS (30 kW) hat. Insgesamt gesehen ist dies sehr wenig Mehrleistung, 60 % der Motorleistung werden bereits verbraucht, um das Flugzeug in der Luft zu halten. Mit den verbleibenden 40 PS muss das Flugzeug nur noch manövrieren, kann also nur wenig steigen, wenden oder beschleunigen. Um dies ins rechte Licht zu rücken, konnte der C150 eine Drehung von 2 g (20 m/s²) nicht halten , was unter den gleichen Bedingungen mindestens 120 PS (89 kW) erfordern würde.

Unter den gleichen Bedingungen kann ein Kampfflugzeug erheblich mehr Leistung benötigen, da seine Flügel für hohe Geschwindigkeit, hohe Agilität oder beides ausgelegt sind. Es könnte 10.000 PS (7,5 MW) erfordern, um eine ähnliche Leistung zu erreichen. Moderne Düsentriebwerke können jedoch eine beträchtliche Leistung erbringen, wobei das Äquivalent von 50.000 PS (37 MW) nicht typisch ist. Mit dieser zusätzlichen Leistung kann das Flugzeug eine sehr hohe maximale Steigrate erreichen , sogar gerade nach oben steigen, kraftvolle kontinuierliche Manöver ausführen oder mit sehr hohen Geschwindigkeiten fliegen.

Hundehütte Grundstück

Höheneinhüllende ( HM- Diagramm). Kontur ist Lastfaktor.
Drehratenhüllkurve, beschrieben in einem EM-Diagramm (Doghouse-Plot). Kontur ist spezifischer Leistungsüberschuss.

Ein Doghouse-Plot zeigt im Allgemeinen die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit im Horizontalflug und der Höhe, obwohl auch andere Variablen möglich sind. Es ist aufwendiger als eine zusätzliche Leistungsberechnung, liefert aber wiederum viel mehr Informationen wie die ideale Flughöhe. Das Grundstück sieht normalerweise aus wie ein auf dem Kopf stehendes U und wird aufgrund seiner Ähnlichkeit mit einem Zwinger (im amerikanischen Englisch manchmal als "Hundehütte" bezeichnet) allgemein als Hundehüttengrundstück bezeichnet. Das Diagramm rechts zeigt ein sehr vereinfachtes Diagramm, das zur Erläuterung der allgemeinen Form des Diagramms verwendet werden soll.

Die äußeren Ränder des Diagramms, die Hüllkurve, zeigen die möglichen Bedingungen, die das Flugzeug im Geradeausflug erreichen kann. Zum Beispiel kann das Flugzeug, das durch die schwarze Höheneinhüllende auf der rechten Seite beschrieben wird, in Höhen bis zu etwa 16.000 m (52.000 Fuß) fliegen, wobei die dünnere Luft bedeutet, dass es nicht mehr steigen kann. Auf Meereshöhe kann das Flugzeug auch mit bis zu Mach 1,1 fliegen, aber nicht schneller. Diese äußere Oberfläche der Kurve repräsentiert den Null-Extra-Power-Zustand . Die gesamte Fläche unter der Kurve stellt Bedingungen dar, unter denen das Flugzeug mit Energiereserven fliegen kann, zum Beispiel kann dieses Flugzeug mit Mach 0,5 bei 9.100 m (30.000 Fuß) fliegen, während es weniger als die volle Leistung verwendet.

Bei Hochleistungsflugzeugen, einschließlich Jagdflugzeugen, wird diese "1-g"-Linie, die den Geradeausflug zeigt, durch zusätzliche Linien ergänzt, die die maximale Leistung bei verschiedenen g-Belastungen zeigen. Im Diagramm rechts steht die grüne Linie für 2-g, die blaue Linie für 3-g und so weiter. Der F-16 Fighting Falcon hat eine sehr kleine Fläche knapp unter Mach 1 und nahe dem Meeresspiegel, wo er eine 9-g-Drehung halten kann.

Außerhalb der Hülle zu fliegen ist möglich, da es nur den geraden und waagerechten Zustand darstellt. Zum Beispiel ermöglicht das Tauchen des Flugzeugs höhere Geschwindigkeiten, wobei die Schwerkraft als zusätzliche Kraftquelle genutzt wird. Ebenso kann eine größere Höhe erreicht werden, indem man zuerst beschleunigt und dann ballistisch fährt, ein Manöver, das als Zoom Climb bekannt ist .

Stillstandsgeschwindigkeit

Alle Flächenflugzeuge haben eine Mindestgeschwindigkeit, mit der sie den Horizontalflug halten können, die Stallgeschwindigkeit (linke Grenzlinie im Diagramm). Wenn das Flugzeug an Höhe gewinnt, nimmt die Überziehgeschwindigkeit zu; Da der Flügel nicht größer wird, kann das Gewicht des Flugzeugs nur mit weniger Luft getragen werden, indem die Geschwindigkeit erhöht wird. Während die genauen Zahlen von Flugzeug zu Flugzeug stark variieren werden, ist die Art dieser Beziehung normalerweise dieselbe; auf einem Diagramm der Geschwindigkeit (x-Achse) gegen die Höhe (y-Achse) aufgetragen, bildet es eine diagonale Linie.

Leistungsgrenze

Ineffizienzen in den Flügeln führen auch dazu, dass diese Linie mit zunehmender Höhe "umkippt", bis sie horizontal wird und keine zusätzliche Geschwindigkeit zu einer erhöhten Höhe führt. Diese maximale Höhe wird als Service-Obergrenze (obere Grenzlinie im Diagramm) bezeichnet und wird oft für die Flugzeugleistung angegeben. Der Bereich, in dem die Höhe für eine bestimmte Geschwindigkeit im Horizontalflug nicht mehr erhöht werden kann, wird als Steigrate bezeichnet und wird dadurch verursacht, dass der Auftrieb des Flugzeugs in größeren Höhen kleiner wird, bis er die Schwerkraft nicht mehr überschreitet .

Höchstgeschwindigkeit

Die rechte Seite des Diagramms stellt die Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs dar. Diese ist typischerweise in der gleichen Weise wie die Strömungsabrisslinie geneigt, da der Luftwiderstand in größeren Höhen geringer wird, bis zu dem Punkt, an dem eine Erhöhung der Höhe die Höchstgeschwindigkeit aufgrund von Sauerstoffmangel zur Versorgung der Triebwerke nicht mehr erhöht.

Die benötigte Leistung variiert fast linear mit der Höhe, aber die Art des Luftwiderstands bedeutet, dass er mit dem Quadrat der Geschwindigkeit variiert – mit anderen Worten, es ist normalerweise einfacher, höher als schneller zu fahren, bis zu einer Höhe, in der der Sauerstoffmangel für die Motoren beginnt eine bedeutende Rolle spielen.

Diagramm Geschwindigkeit vs. Lastfaktor

Ein Vn-Diagramm mit V S (Stallgeschwindigkeit bei 1G), V C (Ecken-/Manövergeschwindigkeit) und V D (Tauchgeschwindigkeit)

Ein Diagramm der Geschwindigkeit über dem Lastfaktor (oder Vn-Diagramm) ist eine weitere Möglichkeit, die Grenzen der Flugzeugleistung aufzuzeigen. Es zeigt, wie viel Ladefaktor bei unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten sicher erreicht werden kann.

Bei höheren Temperaturen ist die Luft weniger dicht und Flugzeuge müssen schneller fliegen, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen. Hohe Hitze kann die Frachtmenge verringern, die ein Flugzeug befördern kann, die Länge der Start- und Landebahn verlängern, die ein Flugzeug zum Starten benötigt, und es schwieriger machen, Hindernissen wie Bergen auszuweichen. Bei ungewöhnlichen Wetterbedingungen kann dies das Fliegen unsicher oder unwirtschaftlich machen, was gelegentlich zur Annullierung kommerzieller Flüge führt.

Randnotizen

Obwohl es einfach ist, Flugzeuge anhand einfacher Zahlen wie Höchstgeschwindigkeit oder Service-Obergrenze zu vergleichen, liefert eine Untersuchung des Flugbereichs weit mehr Informationen. Im Allgemeinen hat ein Design mit einer größeren Fläche unter der Kurve eine bessere Gesamtleistung. Dies liegt daran, dass, wenn das Flugzeug nicht an den Rändern der Hülle fliegt, seine zusätzliche Leistung größer ist, und das bedeutet mehr Leistung für Dinge wie Klettern oder Manövrieren. Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt haben sehr kleine Flugbereiche mit Geschwindigkeiten von vielleicht 50 bis 200 Meilen pro Stunde, während die zusätzliche Leistung, die modernen Kampfflugzeugen zur Verfügung steht, zu riesigen Flugbereichen mit einem Vielfachen der Fläche führt. Als Kompromiss haben Militärflugzeuge jedoch oft eine höhere Überziehgeschwindigkeit. Dadurch ist auch die Landegeschwindigkeit höher.

"Den Umschlag schieben"

Dieser Ausdruck wird verwendet, um sich auf ein Flugzeug zu beziehen, das auf oder über seine festgelegten Höhen- und Geschwindigkeitsbegrenzungen gebracht wird. Als Erweiterung kann dieser Ausdruck verwendet werden, um das Testen anderer Grenzwerte zu bedeuten, entweder in der Luft- und Raumfahrt oder in anderen Bereichen, zB Plus ultra (Motto) .

Siehe auch

Anmerkungen