Anlage B RL 2002/49/EG
Flugleistungsberechnung
Begriffe und Symbole
Die in Anlage B verwendeten Bezeichnungen und Symbole entsprechen dem herkömmlichen Sprachgebrauch der Ingenieure im Bereich der Flugleistungsberechnung. Einige grundlegende Begriffe werden im Folgenden im Interesse fachfremder Anwender näher umrissen. Um Widersprüche mit dem Haupttext möglichst gering zu halten, sind die Symbole in dieser Anlage meist separat definiert. Im Haupttext angegebene Größen haben hier die gleichen Symbole; einige wenige Größe werden abweichend verwendet und sind mit einem Sternchen (*) versehen. Gelegentlich stehen US-Einheiten und SI-Einheiten nebeneinander; auch das geschieht im Interesse der Konventionen, die den Anwendern verschiedener Disziplinen geläufig sind.Begriffe
- Break-Point
- „Break-Point” , siehe Flat-Rating
- Berichtigte Fluggeschwindigkeit (CAS)
- (auch bezeichnet als kalibrierte, äquivalente oder korrigiert angezeigte Fluggeschwindigkeit oder Gerätegeschwindigkeit). Die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs bezogen auf die umgebende Luft entsprechend der Anzeige eines kalibrierten Bordinstruments. Die Eigengeschwindigkeit (wahre Fluggeschwindigkeit) ist normalerweise höher und kann bei bekannter Luftdichte anhand der korrigiert angezeigten Fluggeschwindigkeit berechnet werden.
- Korrigierter Nettoschub
- Der Nettoschub ist die Antriebskraft, die ein Triebwerk auf die Flugzeugzelle ausübt. Bei einer gegebenen Einstellung der Leistung (EPR oder N1) nimmt diese Kraft bei wachsender Höhe mit der Luftdichte ab; der korrigierte Nettoschub ist der Schub auf Höhe des Meeresspiegels.
- Flat-Rating
- Bei bestimmten hohen Baugruppentemperaturen kommt es mit ansteigender Umgebungslufttemperatur zu einem Abfall des Triebwerksschubs — und umgekehrt. Das bedeutet, es besteht eine kritische Lufttemperatur, bei deren Überschreiten der Nennschub nicht mehr erreicht werden kann. Bei neuesten Triebwerken wird das als „Flat-Rated Temperature” bezeichnet, da bei niedrigeren Lufttemperaturen der Schub im Interesse einer maximalen Nutzungsdauer automatisch auf Nennschub begrenzt wird. Der Schub fällt bei Temperaturen oberhalb dieser Grenztemperatur ohnehin ab. Diese Leistungsgrenze wird oft auch als Break-Point oder Break-Temperatur bezeichnet.
- Geschwindigkeit
- Betrag des Geschwindigkeitsvektors (bezogen auf das Flugplatzkoordinatensystem).
- Nennschub
- Die Nutzungsdauer eines Flugzeugtriebwerks hängt stark von den Betriebstemperaturen seiner Komponenten ab. Je höher die erzeugte Leistung bzw. der erzeugte Schub, desto höher die Temperaturen und desto kürzer die Lebensdauer. Um die Anforderungen an Leistung und Lebensdauer gleichermaßen zu berücksichtigen, haben leistungsangepasste ( „flat-rated” ) Triebwerke spezielle Nennwerte (Schub-Ratings) für Abheben, Steigflug und Reiseflug, mit denen maximal zulässige Leistungswerte für den Normalbetrieb festgelegt sind.
- Schubeinstellungsparameter
- Der Pilot kann keinen speziellen Triebwerksschub anwählen, sondern wählt stattdessen eine geeignete Einstellung für diesen Parameter, der im Cockpit angezeigt wird, üblicherweise das Triebwerksdruckverhältnis (EPR) oder die Drehzahl (N1) des Niederdruckrotors (oder Fans).
Symbole
Kenngrößen sind dimensionslos, soweit nicht anders angegeben. Symbole und Abkürzungen, die in der Liste fehlen, werden nur sporadisch gebraucht und an entsprechender Stelle im Text definiert. Die Indizes 1 und 2 bezeichnen die am Anfang bzw. Ende eines Segments vorliegenden Bedingungen. Überstriche bezeichnen Segmentmittelwerte, d. h. dem Durchschnitt von Start- und Endwerten.- a
- Mittlere Beschleunigung, ft/s2
- amax
- Maximal verfügbare Beschleunigung, ft/s2
- A, B, C, D
- Klappenbeiwerte
- E, F, GA,B, H
- Triebwerksschubbeiwerte
- Fn
- Nettoschub je Triebwerk, lbf
- Fn/δ
- Korrigierter Nettoschub je Triebwerk, lbf
- G
- Steiggradient
- G′
- Steiggradient bei Triebwerksausfall
- GR
- Mittlerer Start-/Landebahngradient, positiv bei Steigung
- g
- Schwerebeschleunigung, ft/s2
- ISA
- Internationale Standardatmosphäre
- N *
- Anzahl der Schub erzeugenden Triebwerke
- R
- Gleitzahl CD/CL
- ROC
- Segment-Steigrate (ft/min)
- s
- Zurückgelegter Weg auf dem Flugweg, ft
- sTO8
- Startstrecke bei Gegenwind von 8 kt, ft
- sTOG
- Nach w und GR korrigierte Startstrecke, ft
- sTOw
- Startstrecke bei Gegenwind w, ft
- T
- Lufttemperatur, °C
- TB
- Break-Point-Temperatur, °C
- V
- Geschwindigkeit über Grund, kt
- VC
- Berichtigte Fluggeschwindigkeit, kt
- VT
- Wahre Fluggeschwindigkeit, kt
- W
- Flugzeuggewicht, lb
- w
- Gegenwindgeschwindigkeit, kt
- Δs
- Auf den Flugweg projizierte Segmentlänge in stiller Luft, ft
- Δsw
- Gegenwindberichtigte bodenprojizierte Segmentlänge, ft
- δ
- p/po, Verhältnis Außenluftdruck am Flugzeug zum Normalluftdruck auf Meereshöhe: po = 101,325 kPa (bzw. 1013,25 mb)
- ε
- Querneigungswinkel, Radiant
- γ
- Steigwinkel/Sinkwinkel, Radiant
- θ
- (T + 273,15)/(T0 + 273,15) Verhältnis Lufttemperatur in der Höhe zur Standardlufttemperatur auf Meereshöhe: T0 = 15,0 °C
- σ *
- ρ/ρ0 = Verhältnis Luftdichte in der Höhe zu NN-Wert (auch σ = δ/θ)
- B1
- EINFÜHRUNG
Flugbahnsynthese
In dieser Anlage werden Empfehlungen für Verfahren zur Berechnung des Flugprofils eines Flugzeugs anhand spezifischer aerodynamischer und triebwerksbezogener Parameter, des Flugzeuggewichts, der atmosphärischen Bedingungen, des Kurses über Grund und des Betriebsverfahrens (Flugkonfiguration, Leistungseinstellung, Vorwärtsgeschwindigkeit, Vertikalgeschwindigkeit usw.). Das Betriebsverfahren wird als Satz von Verfahrensschritten beschrieben, mit denen vorgeschrieben wird, wie das Profil zu fliegen ist. Das Flugprofil für Start oder Anflug wird von einer Reihe geradliniger Segmente dargestellt, deren Endpunkte als Profilpunkte bezeichnet werden. Die Berechnung des Flugprofils erfolgt mit aerodynamischen und schubkraftbezogenen Gleichungen, die zahlreiche Koeffizienten und Konstanten enthalten, die für die spezielle Kombination von Flugzeugzelle und Triebwerk bekannt sein müssen. Dieser Berechnungsprozess wird im Text als Synthese der Flugbahn bezeichnet. Neben den Leistungsparametern des Luftfahrzeugs, die aus der ANP-Datenbank bezogen werden können, sind für diese Gleichungen folgende Angaben erforderlich: 1) Flugzeug-Bruttogewicht, 2) Anzahl der Triebwerke, 3) Lufttemperatur, 4) Höhe der Start-/Landebahn über NN und 5) die Verfahrensschritte (ausgedrückt als Leistungseinstellungen, Klappenstellung, Fluggeschwindigkeit und — während der Beschleunigung — durchschnittliche Steig-/Sinkgeschwindigkeit) für jedes Segment während Start und Anflug. Jedes Segment wird dann eingeordnet als Startlauf, Abheben oder Landen, Steigflug mit konstanter Geschwindigkeit, Leistungsdrosselung, Steigen mit Beschleunigung mit oder ohne Klappeneinziehen, Sinken mit oder ohne Abbremsung und/oder Klappenanstellung, oder Endanflug. Das Flugprofil wird Schritt für Schritt aufgebaut, wobei die Anfangsparameter eines jeden Segments identisch mit den Endparametern des vorhergehenden Segments sind. Die aerodynamischen Leistungsparameter in der ANP-Datenbank sollen die tatsächliche Flugbahn eines Flugzeugs für die angegebenen Referenzbedingungen mit ausreichender Genauigkeit darstellen (siehe Abschnitt 2.7.6 im Haupttext). Die Eignung der aerodynamischen Parameter und Triebwerksbeiwerte für Lufttemperaturen bis 43 °C, Flugplatzhöhen bis 4000 ft und über einen in der ANP-Datenbank angegebenen Gewichtsbereich ist nachgewiesen. Die Gleichungen gestatten demnach die Berechnung von Flugbahnen für andere Bedingungen — d. h. Flugzeuggewicht, Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur und Flugbahnhöhe (Luftdruck) außerhalb des Referenzbereichs — in der Regel mit ausreichender Genauigkeit für die Berechnung durchschnittlicher Schallpegelkonturen in der Umgebung eines Flughafens. Abschnitt B-4 erläutert, wie die Kurvenflugeffekte beim Starten berücksichtigt werden. Damit lässt sich die Querneigung bei der Berechnung der seitlichen Richtwirkungseffekte (Effekte der Triebwerksanbringung) einbeziehen. Beim Kurvenflug werden abhängig von Kurvenradius und Flugzeuggeschwindigkeit in der Regel auch die Steiggradienten reduziert. (Die Kurvenflugeffekte im Landeanflug sind komplexer und werden erst einmal ausgespart. Das wirkt sich jedoch auf die Lärmkonturen kaum aus.) In den Abschnitten B-5 bis B-9 werden die empfohlene Methodik für die Erstellung von Abflugprofilen anhand von ANP-Beiwerten und Verfahrensschritten beschrieben. Die Abschnitte B-10 und B-11 haben die verwendete Methodik für die Erstellung von Anflugprofilen anhand von ANP-Beiwerten und Verfahrensschritten zum Gegenstand. Abschnitt B-12 enthält durchgerechnete Beispiele. Für die Berechnung des Nettoschubs von Düsentriebwerken bzw. Propellern sind separate Gleichungssätze vorgesehen. Sofern nicht anders angemerkt, gelten die Gleichungen für die aerodynamische Leistung eines Flugzeugs für düsen- und propellergetriebene Flugzeuge gleichermaßen. Mathematische Symbole sind am Anfang dieser Anlage und/oder beim ersten Auftreten im Text definiert. In allen Gleichungen müssen die Einheiten der Beiwerte, Koeffizienten und Konstanten natürlich mit den Einheiten der entsprechenden Parameter und Variablen übereinstimmen. Um Übereinstimmung mit den ANP-Datenbanken zu gewährleisten, wird in dieser Anlage den im Bereich der Flugzeugleistungsrechnung üblichen Konventionen gefolgt: Angabe der Strecken und Höhen in Fuß (ft), Geschwindigkeit in Knoten (kt), Masse in Pound (lb), Kraft in Pound-force (korrigierter Nettoschub für hohe Temperaturen) und so weiter — auch wenn bestimmte Maße (z. B. Atmosphäre) in SI-Einheiten ausgedrückt werden. Werden bei der Modellierung abweichende Einheiten verwendet, sollte sehr sorgfältig darauf geachtet werden, dass bei Übernahme der Gleichungen entsprechende Umrechnungsfaktoren zur Anwendung kommen.Flugbahnanalyse
In einigen Modellierungsprogrammen werden die Flugbahninformationen nicht als Verfahrensschritte dargestellt, sondern als Positions- und Zeitkoordinaten, die gewöhnlich über die Analyse von Radardaten ermittelt werden. Dies wird in Abschnitt 2.7.7 des Haupttextes erörtert. In diesem Fall werden die hier vorgestellten Gleichungen „umgekehrt” verwendet, d. h. die Schubparameter der Triebwerke werden aus der Bewegung des Luftfahrzeugs abgeleitet und nicht umgekehrt. Nachdem die Flugbahndaten gemittelt und auf Segmentform reduziert worden sind und jedes Segment nach Steigen oder Sinken, Beschleunigen oder Abbremsen sowie Schub- und Klappenveränderungen eingeordnet ist, handelt es sich im Allgemeinen um einen relativ geradlinigen Vorgang, anders als bei der Synthese, wo oftmals iterative Prozesse ablaufen.- B2
- TRIEBWERKSSCHUB
Die von jedem Triebwerk erzeugte Antriebskraft ist eine der fünf Größen, die am Ende jedes einzelnen Flugbahnsegments festzulegen ist (neben Flughöhe über Grund, Geschwindigkeit, Leistungseinstellung und Querneigung). Der Nettoschub stellt diejenige Komponente des Bruttoschubs eines Triebwerks dar, die für den Antrieb zur Verfügung steht. Bei aerodynamischen und akustischen Berechnungen ist der Nettoschub auf Normalluftdruck auf Meereshöhe bezogen. Dies wird als korrigierter Nettoschub Fn/δ bezeichnet. Das ist entweder der Nettoschub, der verfügbar ist, wenn mit einem vorgegebenen Schub-Rating gearbeitet wird, oder der Nettoschub, der sich ergibt, wenn der Schubeinstellungsparameter auf einen bestimmten Wert gesetzt wird. Für ein Turbojet- oder Turbofantriebwerk, das mit einem spezifischen Schub-Rating arbeitet, ergibt sich der korrigierte Nettoschub aus der GleichungFn/δ = E + F · Vc + GA· h + GB· h2 + H · T | (B-1) |
- Fn
- Nettoschub je Triebwerk, lbf,
- δ
- Verhältnis Außenluftdruck am Flugzeug zum Normalluftdruck auf Meereshöhe, d. h. zu 101,325 kPa (oder 1013,25 mb) [Ref. 1],
- Fn/δ
- korrigierter Nettoschub je Triebwerk, lbf,
- VC
- berichtigte Fluggeschwindigkeit, kt,
- T
- Außenlufttemperatur, in der das Flugzeug sich bewegt (°C), und
- E, F, GA, GB, H
- Schubkonstanten oder Schubbeiwerte für Temperaturen unterhalb der Flat-Rating-Temperatur des Triebwerks bei verwendetem Schub-Rating (am aktuellen Segment der Flugbahn für Start/Aufstieg bzw. Anflug), lb.s/ft, lb/ft, lb/ft2, lb/°C. Können aus der ANP-Datenbank bezogen werden.
Fn/δ = E + F · VC + GA · h + GB · h2 + H · T + K1 · EPR + K2 · EPR2 | (B-2) |
(B-3) |
- N1
- Drehzahl von Niederdruckkompressor- (oder Fan-) und Niederdruckturbinenstufe des Triebwerks, %,
- θ
- = (T + 273)/288,15, Verhältnis der absoluten Gesamttemperatur am Triebwerkseinlass zur absoluten Standardlufttemperatur auf Meereshöhe [Ref. 1],
N 1 θ - korrigierte Niederdruckrotordrehzahl, %; und
- K3, K4
- Konstanten, abgeleitet aus Triebwerksdaten, die die interessierende Drehzahl N1 umfassen.
(Fn/δ)high = F · VC + (E + H · TB)·(1 – 0,006 · T)/(1 – 0,006 · TB) | (B-4) |
- (Fn/δ)high
- korrigierter Nettoschub für hohe Temperaturen (lbf),
- TB
- Break-Point-Temperatur (falls kein definitiver Wert vorhanden, ist ein Standardwert von 30 °C anzusetzen).
Fn/δ = (326 · η · Pp/VT)/δ | (B-5) |
- η
- Propellerwirkungsgrad einer gegebenen Art der Propelleranbringung und in Abhängigkeit von Propellerdrehzahl und Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs,
- VT
- wahre Fluggeschwindigkeit, kt,
- Pp
- Nettoantriebskraft für die gegebene Flugbedingung, z. B. maximale Startleistung oder maximale Steigleistung, hp.
(B-6) |
Hinweise zum Arbeiten mit vermindertem Startschub
Es kommt nicht selten vor, dass das Startgewicht eines Luftfahrzeugs geringer ist als das zulässige Startgewicht und/oder die verfügbare Startbahnlänge die für den maximalen Startschub erforderliche Mindestlänge überschreitet. In solchen Fällen hat es sich in der Praxis durchgesetzt, dass der Triebwerksschub im Interesse einer längeren Lebensdauer der Triebwerke und teilweise auch aus Lärmschutzgründen auf Werte unter Maximum reduziert wird. Der Triebwerksschub kann nur soweit herabgesetzt werden, wie dies die Sicherheit nicht gefährdet. Das von Luftverkehrsgesellschaften verwendete Berechnungsverfahren zur Bestimmung des Schubreduzierungsbetrags ist dementsprechend reguliert: das Verfahren ist komplex und berücksichtigt zahlreiche Faktoren wie Startgewicht, Außenlufttemperatur, gemeldete Startbahnstrecken, Startbahnhöhe und Kriterien der Hindernisfreiheit. Deshalb variiert die Schubreduzierung von Flug zu Flug. Da die Auswirkungen auf die Lärmkonturen im Startbereich enorm sein können, sollten die Schubreduzierungen bei der Modellierung angemessen berücksichtigt werden, wozu im Interesse bestmöglicher Vorkehrungen praktischer Rat von den Luftverkehrsgesellschaften eingeholt werden sollte. Falls eine praktische Beratung nicht möglich ist, ist es auf jeden Fall ratsam, solche Einrechnungen auf alternative Weise vorzunehmen. Eine direkte Übernahme der betriebstechnischen Berechnungen in die Lärmmodellierung ist unpraktisch und wäre angesichts der üblichen Vereinfachungen und Näherungen, die zur Berechnung durchschnittlicher Dauerschallpegel vorgenommen werden, auch nicht zweckdienlich. Die folgenden Hinweise bieten eine praktikable Alternative. Da auf diesem Gebiet derzeit umfangreiche Forschungsarbeiten laufen, bleiben Änderungen vorbehalten. Wie die Analyse der Daten von Flugdatenschreibern gezeigt hat, ist der Grad der Schubreduzierung stark an das Verhältnis des tatsächlichen Startgewichts zum zulässigen Startgewicht (RTOW) geknüpft, bis hin zu einem festen unteren Grenzwert(1); d. h.Fn/δ = (Fn/δ)max · W/WRTOW | (B-7) |
Reduzierter Steigschub
Wenn Luftverkehrsgesellschaften mit reduziertem Startschub arbeiten, setzen sie oft, aber nicht immer, den Steigschub im Verhältnis zum Maximum herunter(2). Damit wird Situationen vorgebeugt, in denen am Ende des mit Startschub vorgenommenen Anfangssteigflugs die Leistung erhöht werden muss, statt dass sie zurückgenommen wird. Hier lässt sich jedoch eine gemeinsame Basis schwieriger formulieren. Einige Gesellschaften verwenden unterhalb des maximalen Steigschubs feste Stufen, die manchmal als Steigstufe 1 und Steigstufe 2 bezeichnet werden und den Steigschub typischerweise um 10 % bzw. 20 % gegenüber dem Maximum reduzieren. Es wird empfohlen, bei Verwendung eines reduzierten Startschubs auch die Steigschubwerte um 10 % zu reduzieren.- B3
- VERTIKALPROFILE VON LUFTTEMPERATUR, LUFTDRUCK, LUFTDICHTE UND WINDGESCHWINDIGKEIT
Im Rahmen dieses Dokuments wird davon ausgegangen, dass die höhenabhängigen Temperatur-, Druck- und Dichteschwankungen entsprechend der internationalen Standardatmosphäre auf die Höhe über Normalnull bezogen sind. Die nachstehend beschriebenen Methoden sind für Flugplatzhöhen bis zu 4000 ft über Meereshöhe und für Lufttemperaturen bis zu 43 °C (109 °F) bestätigt. Die mittlere Windgeschwindigkeit ist in Wirklichkeit zwar höhen- und zeitabhängig, aber für die Modellierung von Lärmkonturen ist eine Einrechnung dieser Variabilität in der Regel nicht praktikabel. Statt dessen beruhen die im Folgenden angegebenen Flugleistungsgleichungen auf der allgemeinen Annahme, dass das Flugzeug jederzeit direkt in einen (Standard-)Gegenwind von 8 kt hineinsteuert — unabhängig vom Kompasskurs (obwohl in Schallausbreitungsrechnungen kein expliziter Ansatz einer mittleren Windgeschwindigkeit erfolgt). Es werden Methoden zur Anpassung der Ergebnisse an andere Gegenwindgeschwindigkeiten angeboten.- B4
- KURVENFLUGEFFEKTE
In den restlichen Abschnitten dieser Anlage werden die methodischen Ansätze zur Berechnung der erforderlichen Eigenschaften der Segmente, die die Profilpunkte s,z verbinden und die zweidimensionale Flugbahn in der vertikalen Ebene über dem Flugweg definieren. Die Reihenfolge der Segmente folgt der Bewegungsrichtung. Am Ende eines jeden Segments (bzw. am Anfang der Rollbewegung im Falle des ersten Segments einer Abflugsequenz), wo die Betriebsparameter und der nächste Verfahrensschritt festgelegt werden, müssen Steigwinkel und zurückgelegte Strecke bis zu dem Punkt, an dem die erforderliche Höhe und/oder Geschwindigkeit erreicht wird, berechnet werden. Bei gerader Strecke wird hierzu ein einzelnes Profilsegment verwendet, dessen Geometrie dann direkt (teilweise aber auch mit iterativem Anteil) bestimmt werden kann. Falls jedoch eine Kurve beginnt oder endet oder sich der Radius bzw. die Richtung der Kurve ändert, bevor die geforderten Endbedingungen erreicht sind, wäre ein Einzelsegment unzureichend, da sich Auftrieb und Luftwiderstand des Luftfahrzeugs mit der Querneigung ändern. Zur Berücksichtigung der Kurveneffekte auf den Steigflug sind zur Umsetzung des Verfahrensschrittes zusätzliche Profilsegmente wie folgt erforderlich. Die Konstruktion des Kurses über Grund ist in Abschnitt 2.7.13 des Haupttextes beschrieben. Dies geschieht unabhängig vom Flugprofil eines Luftfahrzeugs (wobei aber sorgfältig darauf zu achten ist, keine Kurven zu definieren, die unter normalen Betriebszwängen gar nicht geflogen werden könnten). Da jedoch Kurven einen Einfluss auf das Flugprofil — Flughöhe über Grund und Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der zurückgelegten Strecke — nehmen, lässt sich das Flugprofil nicht unabhängig vom Flugweg bestimmen. Um in einem Kurvenflug die Geschwindigkeit zu halten, muss der aerodynamische Auftrieb des Flügels so erhöht werden, dass Fliehkraft und Flugzeuggewicht ausgeglichen sind. Das erhöht jedoch den Widerstand und demzufolge den erforderlichen Antriebsschub. Die Effekte des Kurvenflugs werden in den Gleichungen der Leistungsrechnung in Abhängigkeit vom Querneigungswinkel ε ausgedrückt, der für ein Luftfahrzeug, das im Horizontalflug mit konstanter Geschwindigkeit auf einer kreisförmigen Kurvenbahn fliegt, wie folgt gegeben ist:(B-8) | |||
wobei | V | Geschwindigkeit über Grund, kt, | |
r | Kurvenradius, ft, | ||
g | ist die Schwerebeschleunigung, ft/s2. |
Näherungsmethode
Es wird deutlich, dass eine vollständige Berücksichtigung der Kurvenflugeffekte gemäß obiger Beschreibung ein rechnerisch hochkomplexer Vorgang ist, da das Steigprofil eines Luftfahrzeugs für jeden von ihm überflogenen Flugweg separat berechnet werden muss. Da kurvenflugbedingte Änderungen des Vertikalprofils in der Regel einen deutlich geringeren Einfluss auf die Konturen haben als Änderungen des Querneigungswinkels, verzichten einige Anwender zur Umgehung dieser Komplexität — wenn auch auf Kosten der Präzision — auf die Profilauswirkungen von Kurvenflügen, berücksichtigen bei der Berechnung der seitlichen Lärmabstrahlung jedoch den Querneigungswinkel (siehe Abschnitt 2.7.19). Bei dieser Approximation werden die Profilpunkte je Flug nur ein einziges Mal berechnet, und zwar unter Zugrundelegung eines geradlinigen Kurses über Grund (mit ε = 0).- B5
- STARTLAUFSTRECKE
Der Startschub beschleunigt das Flugzeug auf der Startbahn bis zum Abheben. Die berichtigte Fluggeschwindigkeit wird dann für die gesamte Anfangsphase des Aufstiegs als konstant angenommen. Es wird angenommen, dass das Fahrwerk, sofern es einziehbar ist, kurz nach dem Abheben eingezogen wird. Im Rahmen dieses Dokuments wird die tatsächliche Startlaufstrecke annäherungsweise durch eine äquivalente Startstrecke (mit Standard-Gegenwind von 8 kt), sTO8, bestimmt, die gemäß Abbildung B-1 definiert ist als die auf der Startbahn gelegene Entfernung ab dem Lösen der Bremse bis zu dem Punkt, an dem eine geradlinige Verlängerung der mit eingezogenem Fahrwerk vollzogenen anfänglichen Steigflugbahn die Startbahn schneidet.Abbildung B-1
Für eine waagerechte Startbahn wird die äquivalente Startlaufstrecke sTO8 in Fuß anhand der folgenden Gleichung berechnet:(B-9) |
- B8
- Beiwert mit Eignung für eine spezielle Kombination von Flugzeug/Klappenstellung für die ISA-Referenzbedingungen unter Einbeziehung von Gegenwind mit 8 kt, ft/lbf,
- W
- Flugzeugbruttogewicht bei Lösen der Bremse, lbf,
- N
- Anzahl Schub erzeugender Triebwerke.
Anmerkung: Da mit der Gleichung B-9 der unterschiedliche Schub in Abhängigkeit von Fluggeschwindigkeit und Startbahnhöhe berücksichtigt wird, hängt der Beiwert B8 für ein gegebenes Flugzeug allein von der Klappenstellung ab.
Bei Gegenwind, der nicht der Standardgeschwindigkeit von 8 kt entspricht, wird die Startlaufstrecke wie folgt korrigiert:(B-10) |
- STow
- Startlaufstrecke korrigiert in Bezug auf Gegenwind w, ft,
- VC
- (in dieser Gleichung) berichtigte Geschwindigkeit bei Startrotation, kt,
- w
- Gegenwind, kt.
(B-11) |
- STOG
- in Bezug auf Gegenwind und Startbahngradient korrigierte Startlaufstrecke (ft),
- α
- mittlere Beschleunigung auf der Startbahn, gleich
, ft/s2,V C σ 2 2 s TOw - GR
- Startbahngradient; positiv bei Steigung in Startrichtung.
- B6
- STEIGFLUG MIT KONSTANTER GESCHWINDIGKEIT
Dieser Segmenttyp wird durch die berichtigte Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs, die Klappeneinstellung und durch die Flughöhe über Grund und den Querneigungswinkel am Segmentende im Zusammenspiel mit der Gegenwindgeschwindigkeit (Standardwert 8 kt) definiert. Wie bei jedem Segment sind die Parameter am Segmentanfang, darunter der korrigierte Nettoschub, identisch mit den Parametern vom Ende des vorhergehenden Segments — es kommen keine Unstetigkeiten vor (außer bei Klappenwinkel und Querneigungswinkel, für die in diesen Berechnungen sprunghafte Änderungen zulässig sind). Die Nettoschubwerte des Segmentendes werden zuerst mit der zutreffenden Gleichung aus B-1 bis B-5 berechnet. Der durchschnittliche geometrische Steigwinkel γ (siehe Abbildung B-1) ergibt sich dann durch(B-12) |
- K
- geschwindigkeitsabhängige Konstante, ist 1,01 bei VC ≤ 200 kt oder sonst 0,95. Diese Konstante berücksichtigt die Auswirkungen auf den Steiggradienten durch einen Aufstieg bei 8 Knoten Gegenwind und die immanente Beschleunigung bei einem Steigflug mit konstanter berichtigter Fluggeschwindigkeit (die Eigenfluggeschwindigkeit steigt mit höhenbedingt abnehmender Luftdichte),
- R
- Verhältnis von Widerstandsbeiwert zu Auftriebsbeiwert des Flugzeugs entsprechend der gegebenen Klappenstellung. Das Fahrwerk wird als eingefahren angenommen,
- ε
- Querneigungswinkel, Radiant.
(B-13) |
(B-14) |
(B-15) |
- B7
- SCHUBRÜCKNAHME (ÜBERGANGSSEGMENT)
Der Schub wird an einem bestimmten Punkt nach dem Start reduziert bzw. gedrosselt (Cutback), um die Triebwerke zu schonen und oft auch um in bestimmten Gebieten den Lärmpegel zu reduzieren. Die Schubreduzierung erfolgt normalerweise entweder in einem mit konstanter Geschwindigkeit geflogenen Steigflugsegment (Abschnitt B6) oder in einem Beschleunigungssegment (Abschnitt B8). Da es sich um einen relativ kurzen Vorgang handelt, der in der Regel nur 3 bis 5 Sekunden dauert, wird die Schubrücknahme dadurch modelliert, dass dem Primärsegment ein „Übergangssegment” angefügt wird. Dies erfolgt gewöhnlich für eine horizontale Bodendistanz von 1000 ft (305 m).Betrag der Schubreduzierung
Im Normalbetrieb wird der Schub des Triebwerks auf die Einstellung für maximalen Steigschub abgesenkt. Anders als der Startschub kann der Steigschub unendlich gehalten werden, in der Praxis üblicherweise bis zum Erreichen der ersten Reiseflughöhe des Flugzeugs. Der maximale Steigschub bestimmt sich aus Gleichung B-1 mit Hilfe der vom Hersteller bereitgestellten maximalen Schubbeiwerte. Aus Gründen des Lärmschutzes kann jedoch eine zusätzliche Schubreduzierung erforderlich werden, die auch als „Deep Cutback” bezeichnet wird. Aus Sicherheitsgründen ist die maximale Schubreduzierung auf einen Betrag begrenzt(4), der sich aus der Flugzeugleistung und der Triebwerkzahl bestimmt. Diese Untergrenze der Schubreduzierung wird manchmal auch als Engine-Out-Schubreduzierung bezeichnet:(B-16) |
- δ2
- Druckverhältnis in Höhe h2,
- G′
Steiggradient bei Triebwerksausfall in Prozent:
= 0 % für Flugzeuge mit ATR-Schubautomatik; sonst,
= 1,2 % für Flugzeug mit 2 Triebwerken,
= 1,5 % für Flugzeug mit 3 Triebwerken,
= 1,7 % für Flugzeug mit 4 Triebwerken.
Steigflugsegment mit konstanter Geschwindigkeit und Schubreduzierung
Der Gradient des Steigflugsegments wird mit Gleichung B-12 berechnet, wobei der Schub entweder nach B-1 mit Maximalsteigungsbeiwerten oder bei reduziertem Schub nach B-16 berechnet wird. Das Steigflugsegment wird anschließend in zwei Teilsegmente aufgeteilt, die den gleichen Steigwinkel aufweisen. Das ist in Abbildung B-2 illustriert.Abbildung B-2
Dem ersten Teilsegment wird eine Strecke über Grund von 1000 ft (304 m) zugewiesen, und der korrigierte Nettoschub am Ende der 1000 ft wird auf den Wert der Schubreduzierung gesetzt. (Wenn die ursprüngliche horizontale Entfernung kleiner als 2000 ft ist, wird eine Hälfte des Segments für die Schubreduzierung verwendet.) Der Endschub am zweiten Teilsegment wird auch auf den Wert der Schubreduzierung gesetzt. Damit wird das zweite Teilsegment mit konstantem Schub geflogen.- B8
- BESCHLEUNIGTER STEIGFLUG UND EINFAHREN DER KLAPPEN
Dies schließt sich gewöhnlich an den Anfangssteigflug an. Wie bei allen Flugsegmenten sind die Werte für Anfangshöhe h1, wahre Fluggeschwindigkeit VT1 und Schub (Fn/ δ)1 identisch mit den Endwerten des vorherigen Segments. Die berichtigte Fluggeschwindigkeit VC2 und die mittlere Steigrate ROC am Endpunkt sind Anwendereingaben (Querneigungswinkel ε ist abhängig von Kurvengeschwindigkeit und Kurvenradius). Aufgrund der wechselseitigen Abhängigkeit müssen die Endwerte der Höhe h2, der wahren Fluggeschwindigkeit VT2 und des Schubs (Fn/ δ)2 sowie die Segmentstreckenlänge Δs durch Iteration berechnet werden; die Endhöhe h2 wird eingangs geschätzt und anschließend mit den Gleichungen B-16 und B-17 wiederholt neuberechnet, bis die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Schätzungen kleiner ist als eine entsprechend vorgegebene Toleranz, z. B. 1 ft. Eine praktikable Anfangsschätzung ist h2 = h1 + 250 ft. Die Schätzung der Segmentstreckenlänge (zurückgelegte horizontale Entfernung) erfolgt durch(B-17) |
- 0,95
- Faktor zur Berücksichtigung des Einflusses des Gegenwinds von 8 kt beim Steigen mit 160 kt,
- k
- Konstante zur Konvertierung von Knoten in ft/s = 1,688 ft/s pro kt,
- VT2 =
wahre Fluggeschwindigkeit am Segmentende, kt
V T2 V C2 σ 2 wobei: σ 2 = Luftdichteverhältnis in Endhöhe h2,
- αmax =
maximale Beschleunigung im Horizontalflug (ft/s2)
=
- G =
Steiggradient
wobei: ROC = Steigrate, ft/min.
h2′ = h1 + s · G/0,95 | (B-18) |
Anm.: Falls während des Iterationsprozesses der Fall (amax – G · g) < 0,02 g eintritt, ist die Beschleunigung unter Umständen zu klein, um die gewünschte VC2 in einer angemessenen Entfernung zu erreichen. In diesem Fall kann der Steiggradient auf G = amax/g – 0,02 begrenzt und so die gewünschte Steigrate reduziert werden, um eine akzeptable Beschleunigung aufrechtzuerhalten. Falls G < 0,01, ist daraus zu schlussfolgern, das nicht genügend Schub vorhanden ist, um die angegebene Beschleunigung und Steiggeschwindigkeit zu erreichen; die Berechnung sollte daraufhin beendet und die Verfahrensschritte geändert werden(5).
Die Länge des Beschleunigungssegments wird entsprechend dem Gegenwind w wie folgt korrigiert:(B-19) |
Beschleunigungssegment mit Schubreduzierung
Die Einrechnung der Schubreduzierung erfolgt hier genauso wie bei einem Segment mit Konstantgeschwindigkeit, wozu die Umwandlung seines ersten Teils in ein Übergangssegment erfolgt. Der Schubreduzierungswert wird so wie im Schubreduzierungsverfahren für Konstantgeschwindigkeit berechnet, und zwar nur nach Gleichung B-1. Es ist anzumerken, dass es in der Regel nicht möglich ist, zu beschleunigen und den Steigflug durchzuführen, während die Schubeinstellung auf Engine-Out-Minimum steht. Dem Schubübergang wird eine Strecke über Grund von 1000 ft (305 m) zugewiesen und der korrigierte Nettoschub am Ende der 1000 ft auf den Wert der Schubreduzierung gesetzt. Die Geschwindigkeit für das Ende des Segments wird für eine Segmentlänge von 1000 ft per Iteration bestimmt. (Wenn die ursprüngliche horizontale Entfernung kleiner als 2000 ft ist, wird eine Hälfte des Segments für die Schubänderung verwendet.) Der Endschub am zweiten Teilsegment wird auch auf den Wert der Schubreduzierung gesetzt. Damit wird das zweite Teilsegment mit konstantem Schub geflogen.- B9
- ZUSÄTZLICHE STEIG- UND BESCHLEUNIGUNGSSEGMENTE NACH EINFAHREN DER KLAPPEN
Enthält die Bahn, in der der Steigflug beginnt, zusätzliche Beschleunigungssegmente, so sollte nochmals mit den Gleichungen B-12 bis B-19 gearbeitet werden, um die Länge des Kurses über Grund, den mittleren Steigwinkel und den jeweiligen Höhenzuwachs zu berechnen. Wie zuvor ist die abschließende Flughöhe über Grund des Segments mittels Iteration zu bestimmen.- B10
- SINKFLUG UND VERZÖGERUNG
Beim Anflug muss das Flugzeug normalerweise sinken und die Geschwindigkeit drosseln, um die abschließende Anflugphase vorzubereiten, in der das Flugzeug durch die Betätigung der Landeklappen und das Ausfahren des Fahrwerks konfiguriert wird. Flugmechanisch gibt es keine Änderungen gegenüber dem Abflug; der Hauptunterschied besteht darin, dass das Höhen- und Geschwindigkeitsprofil grundsätzlich bekannt ist und hier für jedes Segment der Triebwerksschub bestimmt werden muss. Die grundlegende Kräftebilanzgleichung lautet(B-20) |
(B-21) |
(B-22) |
(Fn/δ)idle = Eidle + Fidle · VC + GA,idle · h + GB,idle · h2 + Hidle · T | (B-23) |
- B11
- LANDEANFLUG
Die berichtigte Landeanfluggeschwindigkeit VCA ist über eine Gleichung ähnlich B-11 an das Bruttolandegewicht geknüpft:(B-24) |
(B-25) |
(B-26) |
(B-27) |
Fußnote(n):
- (1)
Lufttüchtigkeitsbehörden legen in der Regel eine untere Schubgrenze fest, oftmals 25 % unter dem Höchstwert.
- (2)
Reduzierte Schubwerte nach Anfangssteigflug mit Startleistung.
- (3)
In die Lärmberechnungen werden Untersegmente eingefügt, um Kontursprünge an den Verbindungsstellen zwischen Geradeaus- und Kurvenflug infolge abrupter Änderungen des Querneigungswinkels zu vermeiden und lineare Querneigungswinkelübergänge über die ersten und letzten 5 Grad der Flugkurve zu ermöglichen. In den Leistungsrechnungen ist das nicht notwendig; der Querneigungswinkel ist immer durch Gleichung B-8 gegeben.
- (4)
„Noise Abatement Procedures” ICAO Document 8168 „PANS-OPS” Vol.1 Part V, Chapter 3, ICAO 2004.
- (5)
Das Computermodell sollte in beiden Fällen so programmiert werden, dass der Anwender über die vorliegende Diskrepanz informiert wird.
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