Flugmechanik

Flugmechanik umfasst die Bewegung von Flugzeugen und die darauf wirkenden Kräfte und Momente. Sie verbindet Aerodynamik, Festkörperdynamik und Regelungstheorie und beschreibt das Flugverhalten eines Luftfahrzeugs in drei Raumrichtungen und drei Orientierungachsen. Ziel ist die Vorhersage des Flugverhaltens, die Bewertung von Stabilität und die Unterstützung bei Entwurf und Regelung.

Die Bewegung eines Flugzeugs wird durch die Newton-Euler-Gleichungen eines festen Körpers beschrieben. In den Körperachsen gilt: m dv/dt = F und dH/dt = M; F umfasst die Kräfte Auftrieb, Widerstand, Gewicht und Schub, M die Momente um die Achsen Roll, Nick, Gier. Die Orientierung wird üblicherweise durch Eulerwinkel oder Quaternione beschrieben. Typischerweise werden sechs Freiheitsgrade berücksichtigt.

Die Flugmechanik unterteilt sich in longitudinale und lateraldirektionale Dynamik. Wichtige Konzepte sind statische Stabilität, dynamische Stabilität und Trimmung. Typische Dynamikmoden sind der Kurzzeit- oder Short-Perioden-Modus und der Phugoid im longitudinalen Zweig; im lateralen Zweig treten Moden wie der Dutch Roll auf.

Für die Praxis werden die Gleichungen oft um eine Trimmlage linearisiert, so dass sich das System in die Form xdot = Ax + Bu, y = Cx + Du überführen lässt. Diese Modelle dienen dem Entwurf von Autopiloten, Stabilisierungssystemen und Flugsimulationen.