Stallverhalten und physikalisches Flugzeugmodell in der PC-basierten Flugsimulation

[Dierk]

Hallo,

 

hier mal ein paar Überlegungen zu physikalischen Flugmodellen und ihren Grenzen in der PC-basierten Flugsimulation.

 

So kann man z.B. beim MS Flightsim 2020 zu dem Thema lesen:

 

Zitat

Stall Modelisation

When an aircraft is flying normally, the air moves across the wing in a smooth stream. If the aircraft is pitched upwards sufficiently, the air stream becomes less fluid until it finally "detaches" from the wing. This is called a "stall". Microsoft Flight Simulator X had a stall model, but the stalls weren't entirely native to the simulation. That is, when the conditions for a stall occurred, some additional code would take over to simulate the stall, as a global phenomenon. While using the FSX legacy flight model, experienced pilots collaborating with us have noticed poor behavior for limit cases - typically when approaching stall - which has motivated the team behind Microsoft Flight Simulator to put some additional effort into physical modelling of limit flight configurations, which are notoriously badly represented in the classical aerodynamics theory underlying the FSX legacy flight model.

 

The introduction of 3D geometrical information in the flight model through surface elements, as described in the previous section, was clearly a first mandatory step toward improving the physics, as it has enabled the modelisation of local phenomena. To better account for stall and all its variants (spin stall, deep stall, simple stall), each surface element has been enriched with a float parameter describing its level of stall. When reaching a certain level of stall, the behavior of the surface is changed using additional parameters so as to follow, broadly speaking, the behavior of a "falling plate" (ie: the post-stall aerodynamic characteristics of a generic 2D airfoil, which can be likened to a flat plate).

 

und

 

Zitat

This "plate" model is used in the new flight model to locally change the behavior of surface elements depending on local stall state. This enables us to accurately simulate classical stall but also spin stall, which is intrinsically impossible with the FSX non-geometrical flight model. The effect of geometrically twisted wings on stall, which tends to delay stall as the wing root stalls before the wing tip, is also clearly simulated and can even be depicted in-game using debug mode. In the same way, a spin stall is like a normal stall, but it happens to only one wing of the aircraft. When one wing has lift and the other does not, the flying wing will continue to rise until it flips the plane. Without geometrical input in the flight model, the legacy FSX model could not really account for spin stall, which is now the case with the new flight model.

 

aus:

 

https://docs.flightsimulator.com/html/Samples_And_Tutorials/Primers/Flight_Model_Physics.htm

 

Interessanterweise verhalten sich veschiedene Muster recht unterschiedlich empfindlich:

 

 

 

wäre interessant, weitere aktuelle PC-basierte Simulatoren bzgl. die physikalische Flugmodelle von den angebotenen Mustern und deren Stallverhalten zu vergleichen.

 

 

 

 

Bearbeitet 27. November 2022 von Dierk
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[Dierk]

Xplane 12:

 

 

[Gast]

Das klingt schon alles recht physikalisch durchdacht. Jetzt habe ich aber die Infomation dass selbst in professionellen Simulatoren exreme Zustände (Stall, Seitenwind,Overspeed) nicht unbedingt physikalisch 1:1 umgesetzt werden können. Darauf wird auch (notgedrungen) verzichtet, weil man mehr auf Mindsetting und CRM bei der Recovery achtet und in FFS auch Crashes vermieden werden.

 

Bernd 

[Dierk]

vor 2 Stunden schrieb Venturi-Sim:

Das klingt schon alles recht physikalisch durchdacht. Jetzt habe ich aber die Infomation dass selbst in professionellen Simulatoren exreme Zustände (Stall, Seitenwind,Overspeed) nicht unbedingt physikalisch 1:1 umgesetzt werden können. Darauf wird auch (notgedrungen) verzichtet, weil man mehr auf Mindsetting und CRM bei der Recovery achtet und in FFS auch Crashes vermieden werden.

 

Bernd 

 

Zu X-plane 12 habe ich diese Infos zum physikalischen Flugmodell gefunden:

 

https://developer.x-plane.com/article/x-plane-12-flight-model-report/

 

Zitat

Now, for these wings and prop blades, we now allow THREE airfoil files per wing, not two like we used to, so you can have root, middle, and tip airfoils, which is especially useful for propellers! Well-modeled props have thick airfoil files at the root, mid airfoil files at the mid-span, and then go to a very thin foil right out at the tip to delay shock-wave formation at high speed. We now allow all the Reynolds numbers you like for each foil, so the way to get variation with Reynolds numbers is to put them in the airfoil files in Airfoil-Maker

 

 

Das hört sich ziemlich cool an. Sehr gut, dass nun endlich der Flügel in drei Zonen geteilt wird, d.h. falls es zum Stall kommt, reisst der Auftrieb zunächst im Bereich der Flügelwurzel und erst später an den Querrudern bzw. Flügelspitzen ab. Damit können Stalls nun endlich realitätsgetreuer simuliert werden (mit dem „Ein Flügel“ Modell des Microsoft FS X ging das ja überhaupt nicht).

 

Theoretisch könnte man ein Eigenbau-Flugzeug mit individuellen Airfoils nun in X-Plane „entwickeln“ und Flugzeugdesign und Flugeigenschaften virtuell erfliegen? Vielleicht wird die Modellierung irgendwann so gut, dass der Nachweis der Flugtauglichkeit der Konzeption über eine PC-Software gelingt?

Bearbeitet 28. November 2022 von Dierk
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[Rumpelstilzchen]

Wie Bernd bereits geschrieben hat, sind die meisten FFS nicht für Stall und abrupte Manöver zertifiziert. Es gibt FFS, die speziell für Stall Recovery zugelassen sind. Videos finden sich auf YouTube.

 

Aus einem FFS Manual:

Simulators do not necessarily accurately represent the behavior of aircraft close to the “edge” of their “flight envelope”, and they cannot be taken to do so for flight outside the envelope. Aerodynamicists study these “out of envelope” characteristics by use of wind tunnel models, but the actual aircraft are not flown in flight test “out of envelope” except for certain restricted manoeuvres prescribed in the certification regulations (such as the flutter test from maximum operating airspeed and initiating a 7.5° nose- down dive for 20 seconds). For most “out of envelope” flight, aerodynamicists can make well-educated guesses (from their wind- tunnel data or computation fluid dynamics simulations) as to what might happen, but they are the first people to say that they are not at all certain.

 

 

Stability derivatives used in the simulator model do not provide an adequate model of aircraft behavior for large amplitude maneouvers and very nonlinear regions such as stall.

 

 

Zugelassen sind die meisten FFS für folgende Trainings:

 

• High altitude maneouver characteristics (including flight controls) at high altitude and low speed within the flight validated envelop
• Aerodynamic damping as a function of altitude
• Performance data over the entire flight envelope
• Low altitude low speed buffet onset speeds (1 G)

 

eingeschränkt zugelassen sind FFS für folgende Trainings:

 

• High speed Mach buffet (only in unaccelerated level flight)
• Low altitude low speed buffet characteristics 

  (only in landing and second segment climb configuration)

 

nicht zugelassen sind FFS für folgende Trainings:

 

• Icing effects
• High altitude low speed buffet onset (1 G)
• Low and high altitude accelerated stall buffet onset speeds (≠ 11 G, stall entry in turning flight of at least 25° bank)
• High altitude low speed buffet characteristics
• Degradation in static/dynamic lateral-directional stability (due to stall progression on wing) Degradation in control response (pitch, roll, yaw) (due to stall progression on wing) Uncommanded roll response or roll-off requiring significant control reflection to counter Apparent randomness or non repetability (remark: A380 does not exhibit this characteristic) Changes in pitch stability (due to stall progression on wing)
• Stall hysteresis

 

Bearbeitet 28. November 2022 von Rumpelstilzchen

[Gast]

Wir nehmen also jetzt an FFS und die Non-professional Flightsimulatoren wie MSFS, P3D, X-Plane liefern bestenfalls realistische Daten im Rahmen der zertifizierte Envelopes. Wahrscheinlich deutlich bessere bei den bekannten high-quality Addons wie PMDG, FSLabs, Fenix, so hoffe ich zumindest.

Ist es in der Non-professional Flugsimulation sinnvoll sich um die Verifizierung dieser Daten zu kümmern?  Ich denke wahrscheinlich nicht unbedingt. Allerdings ist die Non-professional Flugsimulation weiter an die professionelle herangerückt. Z.B. Fenix Airbus ist die MSFS-Variante von ProSim-Airbus und diese wird auch in professionellen Fixed-Base-Simulatoren verwendet. 

Es könnte im Non-professional Bereich daher interessant sein ein paar Indikator-Daten zu finden, um eine bessere Einschätzung der "Lücke* zwischen reellem Flugverhalten und unseren Systemen zu finden.

Vielleicht Fuel-Flow? Triebwerksdaten? Nicht nur bei den Jets!

Vor Jahren habe ich mal Speed und Triebwerksleistung N1% in meinem Sim mit den Turbulence Penetration Speeds aus dem QRH verglichen.

Die Abweichungen des Sims waren zwischen 5-10% zu den vorgebenen Daten (bei Zero-Wind).

Andere Vorschläge? 

 

Bernd

[Dierk]

Das physikalische Modell scheint doch besser als gedacht. 

 

 

wäre mal interessant was mit den Kräften bei abnormalen Anstellwinkeln passiert. D.h. ob die Ablösung beim Strömungsabriss realitätsgetreu simuliert wird.

 

Seit ein paar Tagen habe ich nun X-Plane 12 auf einem Notebook installiert. Bin da noch am Erfahrungen sammeln…