Wahrend ihres Zerfalls deformieren sich Wirbelschleppen abhangig von den atmospharischen Bedingungen. Typischerweise durchlaufen Wirbel wahrend ihres Zerfalls verschiedene Deformierungsstadien. Zunachst sorgt die nach ihrem Entdecker benannte CROW-Instabilitat fur eine sinusformige Deformierung mit zunehmender Amplitude. Nach einiger Zeit begegnen sich durch die wachsende Amplitude die Wirbellinien beider Wirbel in regelmasigen Abstanden und es kommt zum sogenannten Linking der Wirbellinien. Danach formieren sich die Wirbel zu Ringwirbeln, die mit weiter zunehmender lateraler Ausdehnung zerfallen. Trotz des Wissens um diesen physikalischen Effekt, wurden Wirbelschleppen fur Gefahrdungsbewertungen von Wirbeldurchflugen in der Vergangenheit jedoch meist als geradlinig angenommen. Ob die Wirbeldeformierung einen Einfluss auf die Gefahrdungsbewertung von Wirbelschleppendurchflugen hat und ob die Annahme von geradlinigen Wirbelschleppen hierbei gerechtfertigt ist, wurde bisher nur sehr unzureichend und mit zum Teil widerspruchlichen Ergebnissen untersucht. Auserdem liefert keine der bisherigen Studien Grenzwerte fur eine vorhersagbare Gefahrdungsmetrik, die in der Praxis angewendet werden kann, um gefahrliche Wirbeleinfluge vorherzusehen. Die Notwendigkeit, die Gefahrlichkeit von Wirbelschleppen mit allen Effekten zu kennen, ist aufgrund der derzeitigen weltweiten Aktivitaten zur teilweisen Neuordnung der Wirbelschleppenstaffelungen 
von zusatzlicher Aktualitat. Aus diesem Grund soll die vorliegende Arbeit eine Antwort auf die Frage liefern, wie sich der Effekt der Wirbeldeformierung auf Wirbelschleppendurchfluge auswirkt. Fur die Untersuchung wurden Ergebnisse von Large-Eddy-Simulationen verwendet, die den Effekt der Wirbeldeformierung realistisch abbilden. Zum Vergleich wurde ein analytisches Modell geradliniger Wirbel verwendet. Es wurde eine umfangreiche Simulationsstudie mit Parametervariation durchgefuhrt, die Unterschiede zwischen Wirbeldurchflugen mit deformierten Wirbelschleppen und geradlinigen Wirbelschleppen gleicher Starke aufzeigt. Um Einflusse der Wirbeldeformierung auf das subjektive Empfinden der Gefahrlichkeit durch Piloten zu untersuchen wurden Simulatorversuche in einem A330-Simulator, einem A320-Simulator und Inflight-Simulationen mit dem DLR Forschungsflugzeug ATTAS mit verschieden deformierten Wirbelschleppen durchgefuhrt. Alle Untersuchungen zeigen eine besondere Kritikalitat kurz vor und im Bereich des Linkings. Wirbeldeformierung verringert typischerweise die Einwirkdauer der wirbelinduzierten Krafte und Momente, was grundsatzlich einen positiven Einfluss auf die Auswirkungen eines Durchfluges hat. Wahrend des Linkings konnen Durchfluge jedoch durchaus heftiger sein, als davor und danach. Gefahrdungsgrenzen fur das Roll Control Ratio fur geradlinige Wirbel konnen jedoch auf deformierte Wirbelschleppen ubertragen werden, wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen.

Wirbeldeformierung und ihr Einfluss auf die Gefährdungsbewertung von Wirbelschleppeneinflügen

System identification is fundamental to any observed dynamic process. This overview presentation brings out why and what system identification is as applied to flight vehicles. A historical background is briefly provided, tracing the developments to the 18th Century and early flight experiments to 1920s. This is followed by highlighting the unified Quad-M approach to flight vehicle system identification that has evolved over the last three decades. Several examples are presented, covering: 1) generation of complete aerodynamic databases, 2) estimation of nonlinear models for control surface effectiveness and stall hysteresis, 3) aerodynamic effects due to landing gear, and 4) Air drop. Some aspects of model validation are brought out. Finally, diversified applications to other flight vehicles are briefly elaborated to demonstrate the wide domain of applicability. The talk is concluded by indicating the possible future directions of work.

A Historical and Prospective Look at Aerodynamic Modeling and System Identification from Flight Data

Turbulence and gusts cause variations in the aerodynamic forces and moments applied to the structure of aircraft, resulting in passenger discomfort and dynamic loads on the structure that it must be designed to support. By designing Gust Load Alleviation (GLA) systems, two objectives can be achieved: first, realizing higher passenger comfort; and second, reducing the dynamic structural loads, which allows the design of lighter structures. In this paper, a methodology for designing combined feedback/feedforward GLA systems is proposed. The methodology relies on the availability of a wind profile ahead of the aircraft measured by a Doppler LIDAR sensor, and is based on -optimal control techniques is introduced. The methodology developed in this paper is intended to be applied to large aircraft, e.g. transport aircraft or business jets. The simulation results show the effectiveness of the proposed design methodology in accounting for the measured wind profile to achieve the two mentioned objectives, while ensuring both design flexibility and controller robustness and optimality.

/pdf/gust-load-alleviation-for-flexible-aircraft-using-discrete-2i4ziky435.pdf

Gust load alleviation for flexible aircraft using discrete-time preview control

Beiträge zur Erfassung von Wirbelschleppen mit Lidar

Diese Studienarbeit befasst sich mit der Modellierung, Identifizierung und Bewertung eines analytischen Modells zur Beschreibung der Geometrie und der Geschwindigkeitsverteilungen von gekrummten Wirbelschleppen und Wirbelringen. Dabei baut die Arbeit auf einem bereits vorhandenen Simulationsmodell auf, welches bisher lediglich den generisch abgeschatzten Wirbelzerfall bis zur Ringbildung (Linking) berucksichtigte. Es werden zunachst mathematische Ansatze aufgestellt, welche die Wirbelgeometrie wahrend des Zerfalls geeignet darstellen konnen. In einem weiteren Schritt werden Geometrieparameter fur das gesamte Wirbelalter in Abhangigkeit von atmospharischen Parametern anhand von Daten aus Grobstruktursimulationen (LES) identifiziert. Diese numerischen Simulationen erzeugen realistische Geometrien, allerdings sind sie sehr rechenintensiv und damit fur Flugsimulationen nur mit grosem Aufwand nutzbar. Neben der Gestalt wird der Verlauf von Zirkulation und Wirbelkernradius wahrend des Zerfalls bestimmt, aus denen in der Simulation die Wirbelgeschwindigkeiten berechnet werden. Das vorhandene Simulationsmodell wird um die identifizierten Geometrien und die Verlaufe von Zirkulation und Kernradius erweitert und im Anschluss anhand der Geschwindigkeitsfelder validiert. Das neue Modell ist somit in der Lage, realistischere Geometrien und Geschwindigkeitsverteilungen fur das gesamte Wirbelalter in Abhangigkeit von atmospharischen Parametern zu simulieren als bisher gangige analytische Wirbelmodelle.

Modellierung, Identifizierung und Bewertung eines analytischen Modells für gekrümmte Wirbelschleppen

Wirbelschleppen konnen bei einfliegenden Flugzeugen zu gefahrlichen Flugzeugreaktionen wie plotzlichen starken Rollbewegungen fuhren. Die vorliegende Arbeit prasentiert einen moglichen Ansatz fur ein Steuerungssystem zur Reduktion der Flugzeugreaktion bei Wirbelschleppendurchflugen. Das OWIDIA (Online Wake IDentification and Wake Impact Alleviation) genannte Steuerungssystem nutzt die Informationen eines vorausschauenden Doppler Lidar Sensors, um ein Modell der Wirbelschleppe zu identifizieren und auf dessen Basis Steuerflachenausschlage zu generieren, die die wirbelinduzierte Storung kompensieren. Dieses Steuerungssystem wird in die gesamte Flugsteuerungsarchitektur eines modernen Fly-by-Wire Flugzeuges integriert und hinsichtlich seines Potentials zur Reduktion der wirbelinduzierten Flugzeugreaktion analysiert. Daraus werden Anforderungen an zukunftige Lidar Sensoren fur die Nutzung mit dem OWIDIA System abgeleitet. Die Analysen zeigen ein vielversprechendes Potential des OWIDIA Systems. Mit geeigneten Sensorkonfigurationen kann es den maximalen Hangewinkel bei typischen Wirbelschleppen-durchflugen im Landeanflug um durchschnittlich ca. 70 % reduzieren.

Jana Schwithal

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Lidar-based Wake Identification and Impact Alleviation