Erstellung des Echtzeitmodells einer Boeing ... 737
zum Einsatz im zukünftigen B737 Simulator der
Hochschule Bremen

Diplomarbeit von Nicolas Maul

Hochschule Bremen
Internat. Stdg. f. Luftfahrtsystemtechnik u. -management
Fachbereich Maschinenbau
November 2007

Inhaltsverzeichnis

Abstract ... IV

Formelzeichen ... VI

Indizes ... X

1 Kontext und Aufgabenstellung ... 1

2 Das Interface ... 2

2.1 Systemarchitektur ... 3

2.2 Echtzeitumgebung mit Real Time Windows Target ... 5

2.3 Simulink Interface ... 6
2.3.1 ActiveX ... 7
2.3.2 Virtuelles Hardware Board ... 9
2.3.3 Interface Funktionen ... 9

3 Das Modell ... 13

3.1 Erde ... 15
3.1.1 Geodätisches Bezugssystem ... 15
3.1.2 Atmosphäre ... 18

3.2 Boeing 737-800 ... 22
3.2.1 Bewegungsgleichungen ... 23
3.2.2 Aerodynamik ... 25
3.2.2.1 Aerodynamische Kräfte und Momente ... 27
3.2.2.2 Aerodynamische Geschwindigkeiten und Winkel ... 28
3.2.2.3 Standardarbeitsbereich ... 29
3.2.2.3.1 Längsbewegung ... 29
3.2.2.3.2 Seitenbewegung ... 43
3.2.2.4 Verhalten bei großen Anstellwinkeln ... 50
3.2.2.5 Bodeneffekt ... 52
3.2.3 Triebwerke ... 54
3.2.3.1 Triebwerkskräfte und -momente ... 55
3.2.3.2 Kraftstoffverbrauch ... 58
3.2.4 Fahrwerk ... 59
3.2.4.1 Fahrwerkskräfte und -momente ... 62
3.2.4.2 Oleo-pneumatischer Dämpfer ... 63
3.2.4.3 Reibung ... 64
3.2.5.1 Skalare Masse ... 69
3.2.5.2 Trägheitstensor ... 71
3.2.5.3 Schwerpunktlage ... 75
3.2.6 Struktur ... 76
3.2.7 Stellerdynamik ... 78

4 Resümee und Ausblick ... 80

Anhang A: Technische Daten Boeing 737-800 ... 82

Anhang B: B737 Block Bibliothek ... 84

Anhang C: Aerodynamische Kenngrößen ... 87

Anhang D: Abkürzungsverzeichnis ... 97

Anhang E: Abbildungsverzeichnis ... 98

Anhang F: Literaturverzeichnis ... 100

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Flugphysik-Software des Fixed-Base Boeing 737-800 Simulators der Hochschule Bremen erstellt.

Hierfür wurde zunächst eine Schnittstelle zwischen den beiden Entwicklungsumgebungen des Simulators – Borland Delphi und Mathworks MATLAB – geschaffen und anschließend das Modell in MATLAB Simulink entwickelt.

Das Interface

Das Interface nutzt den Microsoft COM Standard für die Herstellung einer schnellen und integren Datenübertragung.

Das Modell

Ein System aus vier gekoppelten, nichtlinearen Vektordifferenzialgleichungen liefert die Bewegung des Flugzeugs in seinen sechs Freiheitsgraden. Es wird mit den Trägheitsgrößen sowie den Kräften und Momenten aus Aerodynamik, Triebwerk und Fahrwerk gespeist.

(Abb. I: Modellschema der Flugzeugbewegung - In Downloadversion enthalten)

Dem System übergeordnet ist ein Erdmodell. Es stellt den Zusammenhang zwischen den Ausgangsgrößen der Flugzeugbewegung in lokalen geodätischen Koordinaten und dem WGS84 als Bezugssystem her. Darüber hinaus beschreibt es über ein integriertes Atmosphärenmodell die gegenwärtigen Umgebungsbedingungen.

1 Kontext und Aufgabenstellung

Kontext

Im Rahmen des Ausbaus der Luftfahrtkomponente der Hochschule Bremen soll ein Boeing 737-800 Fixed-Base Simulator entstehen. Ziel des Projekts ist eine möglichst realistische Demonstration des Flugzeugs, eine für den Einsatz des Simulators in der kommerziellen Verkehrspilotenausbildung erforderliche Genauigkeit aller Komponenten wird jedoch ausdrücklich nicht avisiert.

Aufgeteilt in die Bereiche Hard- und Software kann das Hardware-Team auf einen ausgemusterten B737-100 Simulator der Lufthansa zurückgreifen. Die Software soll mit Ausnahme der grafischen Ausgabe der Flugzeugumgebung komplett neu entstehen.

Aufgabenstellung

Aufgabe dieser Diplomarbeit ist die Erstellung der Flugphysik-Software des Simulators.

Hierfür wurde im Vorfeld die MATLAB Simulink Toolbox „Real Time Windows Target“ als Echtzeitumgebung ausgewählt, die nun gemeinsam mit dem auf Delphi basierenden Netzwerk der fünf Arbeitsstationen die Systemarchitektur des Simulators bilden soll. In einem ersten Teil der Diplomarbeit gilt es demnach, eine Schnittstelle zwischen Borland Delphi und Simulink zu schaffen, die eine für die Zwecke des Simulators ausreichend schnelle sowie integre Datenübertragung gewährleistet.

In der so entstandenen Echtzeitumgebung soll daraufhin ein Modell der Flugphysik des Simulators entstehen, das mit den Steuerbefehlen des Piloten als Eingangsgrößen die Flugzeugbewegung ausgibt.

2 Das Interface

Das Simulink Interface stellt die Kommunikation zwischen Borland Delphi und MATLAB Simulink „Real Time Windows Target“ her. Seine Entwicklung ist (auch personell, s. Kap. 2.3.2) eng verwoben mit der Entwicklung der Systemarchitektur des Simulators und soll deshalb im Zusammenhang mit dieser dargestellt werden. An erster Stelle steht ein Überblick über die Systemarchitektur des gesamten Simulators sowie die Herstellung einer Echtzeitumgebung mittels Real Time Windows Target. Schließlich folgt die Darstellung des Interface an sich, das als direkte Schnittstelle zur Echtzeitumgebung auch die Kommunikation mit dem Nutzer des Simulators übernimmt (z.B. Positions- und Atmosphäreneingaben).

(Abb. 2-1: Hauptbildschirm des Interface direkt nach Ladevorgang. Links: Delphi-Seite der Schnittstelle, Rechts: MatLab Seite der Schnittstelle (Data Input, Data Output) - In Downloadversion enthalten)

2.1 Systemarchitektur

Die entstehende Systemarchitektur des Bodensimulators basiert auf einem Netzwerk
fünf verschiedener Arbeitsstationen (Abb. 2-2).

Server

Der Server bildet den Kern des Systems. Er erfüllt zwei Hauptaufgaben: Zum einen verwaltet er den Datentransfer zwischen den Arbeitsstationen, indem er die ankommenden Daten zu einem Array zusammenfasst, das er als Rundsendung an alle Peripherie-Rechner verschickt. Zum anderen sorgt er mittels dreier angeschlossener Beamer für die Visualisierung der Flugzeugumgebung. Dazu bedient er sich der Grafikengine eines kommerziellen PC-Flugsimulators – derzeit der Microsoft Flight Simulator – der er über die bestehende FSUIPC Schnittstelle [7] die Eulerwinkel und die aktuelle Position übergibt.

Peripherie Rechner

Die Peripherie Rechner bewerkstelligen die eigentliche Datenverarbeitung des Simulators. Sie nehmen die Eingaben der Cockpit Hardware auf, liefern über das Echtzeitmodell die Bewegung des Flugzeugs im Raum und stellen diese als Cockpitanzeigen – z.B. mit PFDs und NAV-Displays für Kapitän und FO – dar.

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