Jojo26
User
Diese kleine Beitragsreihe ist eine Fortsetzung bzw. ein Nebenzweig zu dem Thema "Entwicklung eines F3F-Profils". Klasse wäre es, wenn hier zukünftig Analysen und Erkenntnisse aus Messungen in der realen Welt zusammengetragen werden...
Inspiriert wurde ich zu diesem Projekt zum einem durch die Messungen des Anströmwinkels im Flug durch Markus („Tern“) - siehe hier - und zum anderen durch die Untersuchungen von Matthieu Scherrer „Which CL are you really flying ?“.
Matthieus Artikel ist eine hervorragende Einführung in Aspekte des Themas „Aerodynamische Flugvermessung“ bei Segel-Modellen und beschreibt sehr gut das Vorgehen zur Bestimmung des Cl-Werts während des Fluges. Da Matthieu sich die Bandbreite von Hangkunstflug bis „Easy Glider“ angeschaut hat, war mein Interesse geweckt, welche Erkenntnisse sich bei der eher speziellen F3F-Flugaufgabe ergeben würden.
Dabei ließen allerdings Markus Videoaufnahmen der Anströmwinkelmessung bereits erahnen, dass Messungen auf Grund der im wahrsten Sinne des Wortes „turbulenten Verhältnisse“ am Hang nichts ganz trivial werden würden. Dazu später mehr.
Inhalte und Ziele der Untersuchungen waren:
Grundlagen und Vorarbeiten
Ich möchte in diesem Abschnitt das gewählte Vorgehen und die Aufbereitung der Daten ein wenig ausführlicher beschreiben, um die Ergebnisse besser nachvollziehbar zu machen. Aber auch um Hinweise auf eventuelle Denk- und Rechenfehler zu erhalten…
Das Messflugzeug
Zum Einsatz kommt ein „Hybrid“ aus einer neu gebauten Fläche mit dem Profil JX-FXrcn und einem schon etwas älteren Rumpf, der für Europhia-Flächen gebaut wurde. Der eher dickliche Rumpf erwies sich als optimal für die Aufnahme der Messtechnik – insbesondere hatte er bereits eine Bohrung in der Rumpfspitze, die ehemals beim Bau als Drehlager diente.
Das eingesetzte „Messflugzeug“ kurz vor dem ersten Start
Daten:
Sensoren und Messdatenaufnahme
Für die Messdatenaufnahme und -Aufzeichnung wurden Komponenten von SM-Modellbau verwendet:
Das Prandtl-Rohr wurde direkt in die Rumpfspitze verbaut. Die Spitze des Rohrs ist etwa 5cm vor der Rumpfspitze. Das Rohr ist in der Längsachse beweglich, so dass es bei einer zu spitzen Landung (hoffentlich) „einfahren“ kann.
Das Prandtl-(Pivot)-Rohr wurde direkt in die Rumpfspitze verbaut
Der Beschleunigungssensor (GPS Logger 3) wurde möglichst nahe am Schwerpunkt installiert um Verfälschungen durch Drehbewegungen des Modells zu minimieren.
Eingesetzte Software zur Aufbereitung und Anlayse
Die Hauptarbeit bei der Vermessung liegt in der Aufbereitung der Roh-Messdaten und der anschließend Visualisierung, ohne die bei der vorhandenen Datenflut keine Interpretation möglich wäre.
DataExplorer
Mit dem von SM-Modellbau empfohlen „DataExplorer“ erfolgt das Auslesen der Messdaten aus der micro SD Speicherkarte des GPS Loggers und eine erste Sichtung der Daten.
Erste Sichtung und Selektion der Roh-Messdaten mit dem „DataExplorer“
Der DataExplorer erlaubt dann eine komfortable Einschränkung das Betrachtungs-Zeitfenster und Selektion der erforderlichen Datenreihen aus den rund 30 verschiedenen Messwerten des Loggers. Abschließend wird das selektierte Datenmmaterial als csv-Datei gespeichert.
Excel
Die eigentliche Aufbereitung und Analyse der Daten erfolgt dann mit Excel. Die ersten Versuche mit „LibreOffice Calc“ waren nicht erfolgreich da das Programm hinsichtlich Datenvolumen, Stabilität und benötigter Funktionalität an seine Grenzen kam.
Zunächst werden in Excel die csv-Daten aus den zu untersuchenden unterschiedlichen Aufzeichnungen automatisiert eingelesen und in einer Tabelle zusammengeführt. Um die Aufzeichnungen in dem übergreifenden Datenbestand unterscheiden zu können, werden sie „getagged“. Anschließend erfolgen Konvertierungen, Korrekturen und schließlich die Berechnungen der Zielgrößen wie RE-Zahl oder cl-Wert.
In Excel erfolgt die Zusammenführung von Aufzeichnungen und die Korrektur und Konvertierung der Daten.
Für die visuelle Darstellungen und Analyse werden dann intensiv die Excel Diagrammfunktion von Normal- und Pivot-Tabellen genutzt. Während Pivot-Charts noch leicht auch mit 100.000 Datensätzen, legt Excel bei Normal-Charts doch die ein oder andere Denksekunde ein.
Aufbereitung der Messdaten
Es zeigte sich sehr schnell, dass es ohne entsprechende Aufbereitung der Roh-Messdaten schwierig sein würde, die gewünschten Analysen durchzuführen. Bereits vor den Messungen hatte ich vermutet, dass es in der Luft nicht besonders ruhig zugehen würde - aber über dieses heftige Ruckeln und Schütteln, das sich in den Messwerten widerspiegelte, war ich dann doch erstaunt. (Wahrscheinlich ist das auch der Grund, weshalb wir Modellflieger lieber am Boden stehen …)
Rohdaten von Geschwindigkeit v und Beschleunigung in z-Richtung in einem Zeitraum von 10s (entsprechend 100 Messwerte)
Die Messwerte von Geschwindigkeit und Beschleunigung stellen letztendlich die Summe dar aus
Dazu wurde zunächst ein Medianfilter zum Filtern der spitzen „Zacken“ (Zackenbreite bis 0,2s) und anschließend ein Binominal-Filter (gleitender gewichteter Durchschnitt) zum Glätten der Kurve angewandt.
Bei einer genaueren zeitlichen Betrachtung von Geschwindigkeit und Beschleunigung zeigte sich beim Auftreffen von Böen (das sind die „Hubbel“ länger als 0,5 Sekunden), dass die Beschleunigung der Geschwindigkeit vorauseilt. Das konnte nicht sein!
Auch mit freundlicher Unterstützung von Herrn Merz (SM-Modellbau) wurde die Reaktionszeit des Drucksensors und die Kompression im Verbindungsschlauch zwischen Prandtl-Rohr und Sensor als Ursache eingekreist. Im Abgleich mit den Beschleunigungsdaten wurden daher die Geschwindigkeitsmesswerte um 300ms in die Vergangenheit verschoben.
Nach den beschriebenen Daten-Aufbereitungen sehen die Kurven so aus:
Die Messwerte von Geschwindigkeit und Beschleunigung nach Filterung, Glättung und Zeitverschiebung
Beschleunigungsvektor
Der GPS Logger zeichnet die Beschleunigungen in x, y, und z-Richtung auf. Ist der Sensor im Modell entsprechend montiert, (entspricht dies der Längs-, Quer- und Hochachse des Modells. Das heißt, dass sich bei einer horizontalen Ausrichtung des Modells und horizontaler Anströmung (dabei Anstellwinkel = 0,8° - entspricht dem Einstellwinkel) die Beschleunigungsmesswerte folgende Werte haben:
Während die y-Beschleunigung bei den Messungen praktisch konstant = 0 ist, zeigt sich in X-Richtung eine schwache Korrelation zu der prägenden Beschleunigung in z-Richtung. Die Ursachen hierfür liegt nach meiner Interpretation in Lageänderungen (um die Querachse) und/oder schräg auftreffende Anströmung (Hang) sind. Theoretisch müssten in der x-Beschleunigung auch „Absteller“ (starkes Abbremsen) des Modells sichtbar werden, aber diese konnte ich unter den anderen Effekten noch nicht herausfiltern.
Betrachtung der Beschleunigungen in den Koordinatenrichtungen
Da die Werte der X-Beschleunigung recht klein sind, habe ich für die weiteren Berechnungen zunächst nur die Beschleunigung in z-Richtung verwendet.
Ermittlung des Auftriebsbeiwerts
Den Ca-Wertdes Modells (englisch: Cl) erhält man aus den Werten von Geschwindigkeit und Beschleunigung durch Auflösung der Verhältnisgleichung
F / az = F1 mit
zu: Cl = az * v1² / v² mit
Die Geschwindigkeit v1 ergibt sich direkt aus der Flächenbelastung von 45,7 g/dm² zu 8,36 m/s.
Damit erhält man schließlich eine einfache Umrechnung für die Daten-Auswertung:
Cl = 8,36 * az / v‘² (mit v‘ als dimensionslosem Vielfachen von 1 m/s)
Ab an den Hang…!
Nun aber genug der Theorie und der Beschreibung der Aufbereitung der Daten. Jetzt geht es in die Luft.
Mit ersten Messflügen soll zunächst die Plausibilität der Messdaten überprüft werden. Insbesondere aber soll geschaut werden, welche Informationen und Erkenntnisse sich grundsätzlich aus den Daten ziehen lassen, welche zusätzlichen Betrachtungswinkel noch hilfreich wären.
(weiter geht's im nächsten Beitrag)
Jochen
Inspiriert wurde ich zu diesem Projekt zum einem durch die Messungen des Anströmwinkels im Flug durch Markus („Tern“) - siehe hier - und zum anderen durch die Untersuchungen von Matthieu Scherrer „Which CL are you really flying ?“.
Matthieus Artikel ist eine hervorragende Einführung in Aspekte des Themas „Aerodynamische Flugvermessung“ bei Segel-Modellen und beschreibt sehr gut das Vorgehen zur Bestimmung des Cl-Werts während des Fluges. Da Matthieu sich die Bandbreite von Hangkunstflug bis „Easy Glider“ angeschaut hat, war mein Interesse geweckt, welche Erkenntnisse sich bei der eher speziellen F3F-Flugaufgabe ergeben würden.
Dabei ließen allerdings Markus Videoaufnahmen der Anströmwinkelmessung bereits erahnen, dass Messungen auf Grund der im wahrsten Sinne des Wortes „turbulenten Verhältnisse“ am Hang nichts ganz trivial werden würden. Dazu später mehr.
Inhalte und Ziele der Untersuchungen waren:
- Verifikation der bei der Profilentwicklung zu Grunde gelegten Auslegungsbereiche (en: „Flight Template“ bzw. „Flight Envelope“) – siehe hier . Dazu soll sowohl die Cl-Verteilung während eines Flugs als auch die Cl-Verteilung bei unterschiedliche Windverhältnissen und/oder Hängen betrachtet werden.
- Betrachtung der dynamischen Verhältnisse während eines Fluges zunächst in Abhängigkeit des Höhenruderausschlags, später dann unter Hinzunahme des Klappen-Ausschlags. Was lässt sich hieraus für die optimale Kombination von Höhenruder und Flap ableiten?
Siehe dazu - hier - und die Diskussionen in den anschließenden Beiträgen
Grundlagen und Vorarbeiten
Ich möchte in diesem Abschnitt das gewählte Vorgehen und die Aufbereitung der Daten ein wenig ausführlicher beschreiben, um die Ergebnisse besser nachvollziehbar zu machen. Aber auch um Hinweise auf eventuelle Denk- und Rechenfehler zu erhalten…
Das Messflugzeug
Zum Einsatz kommt ein „Hybrid“ aus einer neu gebauten Fläche mit dem Profil JX-FXrcn und einem schon etwas älteren Rumpf, der für Europhia-Flächen gebaut wurde. Der eher dickliche Rumpf erwies sich als optimal für die Aufnahme der Messtechnik – insbesondere hatte er bereits eine Bohrung in der Rumpfspitze, die ehemals beim Bau als Drehlager diente.
Das eingesetzte „Messflugzeug“ kurz vor dem ersten Start
Daten:
Spannweite: 2,84m (ohne Rumpf)
Flächeninhalt: 0,598m², Streckung: 13,5
Gewicht: 2650g, Flächenbelastung: 45,7 g/dm²
RE √ca (Wurzel): 153.000
Rumpflänge: 1,46m
Sensoren und Messdatenaufnahme
Für die Messdatenaufnahme und -Aufzeichnung wurden Komponenten von SM-Modellbau verwendet:
- „Unilog 2“ für die Messung der Geschwindigkeit („True Air Speed“) mit Hilfe eines Prandtl-Rohrs
- „GPS-Logger 3“ für die Messung der Beschleunigung und Aufzeichnung des Höhenruder-Servoimpulses
Das Prandtl-Rohr wurde direkt in die Rumpfspitze verbaut. Die Spitze des Rohrs ist etwa 5cm vor der Rumpfspitze. Das Rohr ist in der Längsachse beweglich, so dass es bei einer zu spitzen Landung (hoffentlich) „einfahren“ kann.
Das Prandtl-(Pivot)-Rohr wurde direkt in die Rumpfspitze verbaut
Der Beschleunigungssensor (GPS Logger 3) wurde möglichst nahe am Schwerpunkt installiert um Verfälschungen durch Drehbewegungen des Modells zu minimieren.
Eingesetzte Software zur Aufbereitung und Anlayse
Die Hauptarbeit bei der Vermessung liegt in der Aufbereitung der Roh-Messdaten und der anschließend Visualisierung, ohne die bei der vorhandenen Datenflut keine Interpretation möglich wäre.
DataExplorer
Mit dem von SM-Modellbau empfohlen „DataExplorer“ erfolgt das Auslesen der Messdaten aus der micro SD Speicherkarte des GPS Loggers und eine erste Sichtung der Daten.
Erste Sichtung und Selektion der Roh-Messdaten mit dem „DataExplorer“
Der DataExplorer erlaubt dann eine komfortable Einschränkung das Betrachtungs-Zeitfenster und Selektion der erforderlichen Datenreihen aus den rund 30 verschiedenen Messwerten des Loggers. Abschließend wird das selektierte Datenmmaterial als csv-Datei gespeichert.
Excel
Die eigentliche Aufbereitung und Analyse der Daten erfolgt dann mit Excel. Die ersten Versuche mit „LibreOffice Calc“ waren nicht erfolgreich da das Programm hinsichtlich Datenvolumen, Stabilität und benötigter Funktionalität an seine Grenzen kam.
Zunächst werden in Excel die csv-Daten aus den zu untersuchenden unterschiedlichen Aufzeichnungen automatisiert eingelesen und in einer Tabelle zusammengeführt. Um die Aufzeichnungen in dem übergreifenden Datenbestand unterscheiden zu können, werden sie „getagged“. Anschließend erfolgen Konvertierungen, Korrekturen und schließlich die Berechnungen der Zielgrößen wie RE-Zahl oder cl-Wert.
In Excel erfolgt die Zusammenführung von Aufzeichnungen und die Korrektur und Konvertierung der Daten.
Für die visuelle Darstellungen und Analyse werden dann intensiv die Excel Diagrammfunktion von Normal- und Pivot-Tabellen genutzt. Während Pivot-Charts noch leicht auch mit 100.000 Datensätzen, legt Excel bei Normal-Charts doch die ein oder andere Denksekunde ein.
Aufbereitung der Messdaten
Es zeigte sich sehr schnell, dass es ohne entsprechende Aufbereitung der Roh-Messdaten schwierig sein würde, die gewünschten Analysen durchzuführen. Bereits vor den Messungen hatte ich vermutet, dass es in der Luft nicht besonders ruhig zugehen würde - aber über dieses heftige Ruckeln und Schütteln, das sich in den Messwerten widerspiegelte, war ich dann doch erstaunt. (Wahrscheinlich ist das auch der Grund, weshalb wir Modellflieger lieber am Boden stehen …)
Rohdaten von Geschwindigkeit v und Beschleunigung in z-Richtung in einem Zeitraum von 10s (entsprechend 100 Messwerte)
Die Messwerte von Geschwindigkeit und Beschleunigung stellen letztendlich die Summe dar aus
- der idealisierten Flugzeugbewegung (in ruhender Luft),
- dem „Rauschen“ des Messwertaufnehmer,
- der Turbulenz der angeströmten Luft
- und den typischen Windböen am Hang.
Dazu wurde zunächst ein Medianfilter zum Filtern der spitzen „Zacken“ (Zackenbreite bis 0,2s) und anschließend ein Binominal-Filter (gleitender gewichteter Durchschnitt) zum Glätten der Kurve angewandt.
Bei einer genaueren zeitlichen Betrachtung von Geschwindigkeit und Beschleunigung zeigte sich beim Auftreffen von Böen (das sind die „Hubbel“ länger als 0,5 Sekunden), dass die Beschleunigung der Geschwindigkeit vorauseilt. Das konnte nicht sein!
Auch mit freundlicher Unterstützung von Herrn Merz (SM-Modellbau) wurde die Reaktionszeit des Drucksensors und die Kompression im Verbindungsschlauch zwischen Prandtl-Rohr und Sensor als Ursache eingekreist. Im Abgleich mit den Beschleunigungsdaten wurden daher die Geschwindigkeitsmesswerte um 300ms in die Vergangenheit verschoben.
Nach den beschriebenen Daten-Aufbereitungen sehen die Kurven so aus:
Die Messwerte von Geschwindigkeit und Beschleunigung nach Filterung, Glättung und Zeitverschiebung
Beschleunigungsvektor
Der GPS Logger zeichnet die Beschleunigungen in x, y, und z-Richtung auf. Ist der Sensor im Modell entsprechend montiert, (entspricht dies der Längs-, Quer- und Hochachse des Modells. Das heißt, dass sich bei einer horizontalen Ausrichtung des Modells und horizontaler Anströmung (dabei Anstellwinkel = 0,8° - entspricht dem Einstellwinkel) die Beschleunigungsmesswerte folgende Werte haben:
ax = 0, ay = 0, az = 1 (ist gleich der Erdbeschleunigung g)
Während die y-Beschleunigung bei den Messungen praktisch konstant = 0 ist, zeigt sich in X-Richtung eine schwache Korrelation zu der prägenden Beschleunigung in z-Richtung. Die Ursachen hierfür liegt nach meiner Interpretation in Lageänderungen (um die Querachse) und/oder schräg auftreffende Anströmung (Hang) sind. Theoretisch müssten in der x-Beschleunigung auch „Absteller“ (starkes Abbremsen) des Modells sichtbar werden, aber diese konnte ich unter den anderen Effekten noch nicht herausfiltern.
Betrachtung der Beschleunigungen in den Koordinatenrichtungen
Da die Werte der X-Beschleunigung recht klein sind, habe ich für die weiteren Berechnungen zunächst nur die Beschleunigung in z-Richtung verwendet.
Ermittlung des Auftriebsbeiwerts
Den Ca-Wertdes Modells (englisch: Cl) erhält man aus den Werten von Geschwindigkeit und Beschleunigung durch Auflösung der Verhältnisgleichung
F / az = F1 mit
F – aktueller Auftrieb
az – aktuelles Vielfaches der Erdbeschleunigung g in Auftriebsrichtung
F1 – Auftrieb bei cl = 1 im unbeschleunigten Flug
zu: Cl = az * v1² / v² mit
v1 – Geschwindigkeit bei cl = 1 und unbeschleunigtem Flug
v – aktuelle Geschwindigkeit
Die Geschwindigkeit v1 ergibt sich direkt aus der Flächenbelastung von 45,7 g/dm² zu 8,36 m/s.
Damit erhält man schließlich eine einfache Umrechnung für die Daten-Auswertung:
Cl = 8,36 * az / v‘² (mit v‘ als dimensionslosem Vielfachen von 1 m/s)
Ab an den Hang…!
Nun aber genug der Theorie und der Beschreibung der Aufbereitung der Daten. Jetzt geht es in die Luft.
Mit ersten Messflügen soll zunächst die Plausibilität der Messdaten überprüft werden. Insbesondere aber soll geschaut werden, welche Informationen und Erkenntnisse sich grundsätzlich aus den Daten ziehen lassen, welche zusätzlichen Betrachtungswinkel noch hilfreich wären.
(weiter geht's im nächsten Beitrag)
Jochen