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![]( "Buchcover ISBN 9783947623006")
Windmessung mittels Segelflugzeug
von Falk PätzoldWindmessung mittels Segelflugzeug
F. Pätzold, Kurzfassung
Die präzise Messung der Luftbewegung in der Atmosphäre ist essentiell für die meteorologische Grundlagenforschung. Die fluggestützte in-situ Windvektormessung ist hierfür ein wichtiges Werkzeug. Sie basiert auf der Messung des Anströmvektors des Flugzeugs, des Geschwindigkeitsvektors gegenüber der Erde und der Lagewinkel zur Transformation in ein gemeinsames Koordinatensystem zur Vektordifferenzbildung (direkte in-situ Vektordifferenz-Windmessung). Eigenschaften des Trägersystems gehen allenfalls als Störgrößen in die Messung ein.
Segelflugzeuge weisen aufgrund ihrer aerodynamischen Güte eine hohe Sensitivität gegenüber der Vertikalwindkomponente in der Größenordnung von 10-2 m s-1 auf. Die Nutzung dieser Eigenschaft zur in-situ Vertikalwindbestimmung ist in einigen Quellen beschrieben. Allen gesichteten Lösungen ist gemein, dass niederfrequente Flugbahnschwingungen dem ermittelten Vertikalwind überlagert sind.
In der vorliegenden Arbeit wird die in-situ Messung des Windvektors unter Nutzung der Flugleistung eines Segelflugzeuges signifikant weiterentwickelt. Mittels analytischer und statistischer Modelle für die Beschreibung der Atmosphäre wird der Einfluss der bewegten Atmosphäre auf die Flugleistung abgeschätzt. Subjektive Bewertungen der herrschenden Turbulenz dienen zusammen mit Turbulenzkriterien aus der Meteorologie und der Luftfahrt, angewandt auf die Flugmessdaten, der Quantisierung der erfahrungsgemäß zulässigen Turbulenzintensität. Die Windvektormessung erfolgt ohne Modellannahmen zum Windfeld.
Das Flugleistungsmodell des verwendeten Segelflugzeugs wird um den Widerstandseinfluss der Reynoldszahl, des Schiebewinkels und der Drehbeschleunigung um die Querachse erweitert. Es ist Bestandteil der aus dem Impulsänderungssatz hergeleiteten und vereinfachten Bewegungs-gleichungen, wobei die angewandten Vereinfachungen in Hinblick auf die Messaufgabe diskutiert werden. Mit Hilfe der Flugleistung des Segelflugzeugs in den Bewegungsgleichungen wird ein Transformationswinkel bestimmt, der eine alternative Transformationsfolge zwischen den Koordinatensystemen im Vergleich zur direkten in-situ Windmessung ermöglicht.
Anhand von Flugmessdaten und dem Vergleich mit bodengestützten Wind-LiDAR-Messungen wird die Plausibilität des aufgestellten Flugleistungsmodells, der Bewegungsgleichung und der angewandten Transformationsfolge gezeigt, wobei die nicht bekannten Unsicherheiten der vorliegenden Flugzustandsgrößen diese Betrachtungen limitieren. Eine konservative Abschätzung der maximalen absoluten Unsicherheit zeigt relevant kleinere Unsicherheit der segelflugleistungsbasierten gegenüber der direkten in-situ Vektordifferenz-Windmessung. Das Segelflugzeug empfiehlt sich als hervorragender Erprobungsträger für fluggestützte Windmesstechnik, weil derselbe Windvektor mit unterschiedlicher Wichtung der Messgrößen bestimmt werden kann, womit Messfehler einiger wichtiger Flugzustandsgrößen beobachtbar werden.
F. Pätzold, Kurzfassung
Die präzise Messung der Luftbewegung in der Atmosphäre ist essentiell für die meteorologische Grundlagenforschung. Die fluggestützte in-situ Windvektormessung ist hierfür ein wichtiges Werkzeug. Sie basiert auf der Messung des Anströmvektors des Flugzeugs, des Geschwindigkeitsvektors gegenüber der Erde und der Lagewinkel zur Transformation in ein gemeinsames Koordinatensystem zur Vektordifferenzbildung (direkte in-situ Vektordifferenz-Windmessung). Eigenschaften des Trägersystems gehen allenfalls als Störgrößen in die Messung ein.
Segelflugzeuge weisen aufgrund ihrer aerodynamischen Güte eine hohe Sensitivität gegenüber der Vertikalwindkomponente in der Größenordnung von 10-2 m s-1 auf. Die Nutzung dieser Eigenschaft zur in-situ Vertikalwindbestimmung ist in einigen Quellen beschrieben. Allen gesichteten Lösungen ist gemein, dass niederfrequente Flugbahnschwingungen dem ermittelten Vertikalwind überlagert sind.
In der vorliegenden Arbeit wird die in-situ Messung des Windvektors unter Nutzung der Flugleistung eines Segelflugzeuges signifikant weiterentwickelt. Mittels analytischer und statistischer Modelle für die Beschreibung der Atmosphäre wird der Einfluss der bewegten Atmosphäre auf die Flugleistung abgeschätzt. Subjektive Bewertungen der herrschenden Turbulenz dienen zusammen mit Turbulenzkriterien aus der Meteorologie und der Luftfahrt, angewandt auf die Flugmessdaten, der Quantisierung der erfahrungsgemäß zulässigen Turbulenzintensität. Die Windvektormessung erfolgt ohne Modellannahmen zum Windfeld.
Das Flugleistungsmodell des verwendeten Segelflugzeugs wird um den Widerstandseinfluss der Reynoldszahl, des Schiebewinkels und der Drehbeschleunigung um die Querachse erweitert. Es ist Bestandteil der aus dem Impulsänderungssatz hergeleiteten und vereinfachten Bewegungs-gleichungen, wobei die angewandten Vereinfachungen in Hinblick auf die Messaufgabe diskutiert werden. Mit Hilfe der Flugleistung des Segelflugzeugs in den Bewegungsgleichungen wird ein Transformationswinkel bestimmt, der eine alternative Transformationsfolge zwischen den Koordinatensystemen im Vergleich zur direkten in-situ Windmessung ermöglicht.
Anhand von Flugmessdaten und dem Vergleich mit bodengestützten Wind-LiDAR-Messungen wird die Plausibilität des aufgestellten Flugleistungsmodells, der Bewegungsgleichung und der angewandten Transformationsfolge gezeigt, wobei die nicht bekannten Unsicherheiten der vorliegenden Flugzustandsgrößen diese Betrachtungen limitieren. Eine konservative Abschätzung der maximalen absoluten Unsicherheit zeigt relevant kleinere Unsicherheit der segelflugleistungsbasierten gegenüber der direkten in-situ Vektordifferenz-Windmessung. Das Segelflugzeug empfiehlt sich als hervorragender Erprobungsträger für fluggestützte Windmesstechnik, weil derselbe Windvektor mit unterschiedlicher Wichtung der Messgrößen bestimmt werden kann, womit Messfehler einiger wichtiger Flugzustandsgrößen beobachtbar werden.