Der Lagewinkel ist bei einem Segelflugzeug im Flug (im stationären Flug also mit konstanter Geschwindigkeit) eine Funktion der Geschwindigkeit. Bei jedem Lagewinkel stellt sich genau eine Geschwindigkeit ein.

Ob sich die Luftmasse aussenrum bewegt (stell Dir vor, dass Flugzeug samt umgebender Luft ist in einer riesigen Kiste die konstant bewegt wird) ist dem FLugzeug und damit dem Lagewinkel egal.
Das gilt nicht nur bei vertikaler, sondern auch bei horizontaler Luftbewegung: Der Lagewinkel für eine bstimmte Geschwindigkeit (IAS) ist unabhängig davon, ob Du 20kt Gegen- oder Rückenwind hast.

Nein, die Geschwindigkeit ist Anstellwinkelabhängig, nicht Fluglagenabhängig. Die Sprungantwort auf vertikale Luftmassenbewegung ist eine Anstellwinkelschwingung mit anschließender Bahn-und Lageänderung bei identem stationärem Anstellwinkel (Trimmpunkt).

"Bei jedem (Lagewinkel) ANSTELLWinkel stellt sich genau eine Geschwindigkeit ein."

So würde es stimmen und gilt nicht nur für Segelflieger.

Florian hat Recht. Wenn man nicht weiß, was die Luftmasse um einen herum macht, geht die Berechnung des AoA nicht alleine aus Fluglage und Flugpfad. Wenn die Berechnung des AoA mit Gyros und Static so einfach wäre, dann hätte es diese Systeme schon vor 30 Jahren für die allgemeine Luftfahrt gegeben. Hier stecken sicher ausgeklügelte Algorithmen dahinter.

Nehmen wir als Beispiel ein Aspen EFD 1000. Da funktionieren Lage und mit einiger Wahrscheinlichkeit auch Angle of Attack sehr zuverlässig (ich habe kein AoA im Aspen PFD). Das System lernt sich sehr wahrscheinlich Kurvenpunkte der Funktion AoA (KIAS) für a vertical = 1.0 g ein. Im Mittel eines Fluges (oder gar mehrere Flüge) halten sich Auf- und Abwinde ja etwa die Waage. Fängt vielleicht schon beim Take-Off an, wo dann gleich eine Massekorrektur geschätzt wird (Abhebegeschwindigkeit, Pitch). Jedenfalls werden da jede Menge Annahmen dabei sein und wer 5 min permanent 500 ft/min Aufwind hat, bekommt wahrscheinlich einen AoA Ausfall gemeldet.

In sehr starken Turbulenzen zeigt mein Aspen EFD 1000 C3 (für > 6000 lbs MTOM) in seltenen Fällen auch mal „Crosscheck Attitude“, mein PFD 2 (EFD 1000 ohne C3) auf der Copilotenseite zeigt das nicht. Das C3 ist hier vermutlich von der Spezifikation sensibler. Anzeige passt aber immer. Das Aspen benutzt neben Solid State Gyros auch das Magnetfeld sowie Pitot und Static für die Berechnung der Lage und einen Integritätscheck. Damit führt der Ausfall eines Sensors nicht zu falscher Anzeige, sondern zu einer Fehlermeldung. Das ist viel besser als bei mechanischen AI.

Die Berechnung des AoA dürfte für normale Flüge bei zertifizierten Geräten zuverlässig funktionieren, vielleicht bei manchen Geräten auch ohne Pitot wie bei dem Aerovonics, aber mit großer Wahrscheinlichkeit nicht völlig robust in bestimmten, sehr ungewöhnlichen Situationen.

.... in Abhängigkeit von Gewicht und Gs

GS? Groundspeed?

G wie Gewichtsvielfache, zB Kurven- oder Parabelflug

Stellvertretend für Alle an den letzten Poster

Vielen Dank für die Diskussion und die sich daraus ergebenden Infos, werde mir wohl mal solch ein Instrument gönnen.

Nein, die Geschwindigkeit ist Anstellwinkelabhängig, nicht Fluglagenabhängig.

Das ist gar kein Widerspruch, weil sich bei einem Segelflugzeug bei gleicher Fluglage immer der gleiche Anstellwinkel einstellt - es geht ja um den eingeschwungenen Zustand und nicht um die SPrungantwort bei Änderungen der Umgebungsströmung.

Vielleicht noch mal einen Schritt um die Differenz - und damit die Probleme bei der Berechnung des AoA mit Bordmitteln - zu erklären:

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen Anströmung und Profilsehne. Typischerweise zerlegt man diesen in zwei Komponenten durch Einführung einer (horizontalen) Bezugsebene:

1. Dem Winkel zwischen dieser Bezugsebene und der Profilsehne (Lagewinkel oder Pitch; Mit Lagewinkel wird normalerweise der Winkel zwischen Längsachse und Horizontaler bezeichnet. Dann müsste man noch den Einstellwinkel dazurechnen. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass die Profilsehne parallel zur Längsachse ist).
2. Der Winkel zwischen anströmender Luft und Bezugsebene.

1.) Ist durch Bordmittel relativ einfach zu ermitteln: Man braucht nur die Daten des AI. (Bei Flugzeugen mit Wölbklappen braucht man zusätzloich noch die Klappenstellung, weil sich durch Veränderung der Klappen der Einstellwinkel ändert. Deswegen berücksichtigt ja z.B. die Lösung von Aspen die Klappenstellung

2.) ist mit bordgestützten Systemen nicht trivial zu ermitteln. In ruhiger Umgebungsluft ist das gleich dem Bahnwinkel und kann damit ohne Probleme entweder über GPS-Geschwindigkeit/-sinken oder über Fahrtmesser/Vario ermittelt werden.
Bei bewegter Umgebungsluft wird das leider schwieriger:

• Im Gegenwind wird der Bahnwinkel steiler (kleiner, wenn man ihn ab der horizontale mit negativem Vorzeichen nach unten misst). Im Extremfall, in dem der Gegenwind genau der Luftgeschwindigkeit des Flugzeuges entspricht, beträgt er (wieder bei einem Segelflugzeug) -90 Grad - das Flugzeug scheint "auf der Stelle zu sinken". Dies würde bei der Berechnung des Bahnwinkels aus GPS-Daten auch so rauskommen.
  Berechnet man den "Bahnwinkel" allerdings aus IAS und VS laut Vario, dann kommt man auf einen anderen Winkel (darum die """): Da die IAS ja schon gegenüber der Umgebungsluft gemessen wird, ist der "Fehler" schon kompensiert und man erhält den korrekten Anströmwinkel
• In vertikal bewegter Luft wird es nun schwierig: Wieder leifert das GPS hier falsche Daten für die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeuges im Verhältnis zu Luft. Das Vario allerdings auch! Da dieses über Druckunterschiede funktioniert misst es auch die Höhenänderung und nicht die Vertikalbewegung relativ zur Luft.
  Man bräuchte hier die Daten eines totalenergiekompensierten Nettovariometers, um wieder "richtig" rechnen zu können. Allerdings braucht so eines in der Regel auch einen extra Sensor und ist vor Allem bei Motorflugzeugen prinzipbedingt nicht wirklich möglich, weil man die Energieabgabe des Motors nicht vernünftig rausrechnen kann.

Deswegen zeigen AoA-Systeme ohne extra Sensor bei vertikal bewegter Luftmasse prinzpbedingt nicht richtig an. Das ist für viele Anwendungen kein allzu großes Problem, da man den AoA ja insbesondere bei der Landung braucht wo großräumige Auf- oder Abwinde eher selten sind.
Aber genau das ist der Grund, warum große Flugzeuge normalerweise sensorgestützte AoA-Systeme haben, obwohl diese deutlich teurer in Einbau und Unterhalt sind und auch operativ mehr Probleme machen können (kaputt gehen, vereisen, etc.).

Das ist gar kein Widerspruch, weil sich bei einem Segelflugzeug bei gleicher Fluglage immer der gleiche Anstellwinkel einstellt - es geht ja um den eingeschwungenen Zustand und nicht um die SPrungantwort bei Änderungen der Umgebungsströmung.

Dies ist nicht korrekt. Generell gilt der Zusammenhang in der Längsbewegung Θ = γ + α + α_w

Mit

Θ - Nickwinkel

γ – Flugbahnneigungswinkel

α – Anstellwinkel

α_w – Windanstellwinkel = Aufwindgeschwindigkeit / Fluggeschwindigkeit

Fliegt das Flugzeug aus ruhender Luft in ein stationäres Aufwindfeld ein, so bleibt ja bei t=0 zunächst auch Θ = 0. Der effektive Anstellwinkel des Flugzeuges bestimmt sich also durch den Flugmechanischen Zustand und dem Windanstellwinkel (Θ und γ verändern sich nur verzögert). Dies beeinflusst den Momentenhaushalt des Flugzeuges. Da es stabil ausgelegt wurde, kehrt α wieder zu seinem Ausgangswert zurück. Dies kann nur dann geschehen, wenn der Flugbahnvektor um α_w gegenüber den geodätischen Koordinaten gedreht wird. Stationär verändert sich also die Fluglage im Aufwindfeld und der Anstellwinkel bleibt konstant.

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen Anströmung und Profilsehne.

Soweit korrekt.

Typischerweise zerlegt man diesen in zwei Komponenten durch Einführung einer (horizontalen) Bezugsebene:

1. Dem Winkel zwischen dieser Bezugsebene und der Profilsehne (Lagewinkel oder Pitch; Mit Lagewinkel wird normalerweise der Winkel zwischen Längsachse und Horizontaler bezeichnet. Dann müsste man noch den Einstellwinkel dazurechnen. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass die Profilsehne parallel zur Längsachse ist).
2. Der Winkel zwischen anströmender Luft und Bezugsebene.

Typischerweise verwendet man mehrere Koordinatensysteme, wobei die Winkel aus Drehung entstehen. Den Anstellwinkel unterteilt man nicht wirklich. Er ergibt sich (zusammen mit dem Schiebewinkel) aus der Differenz des flugzeugfesten Koordinatensystems und des aerodynamischen Koordinatensystems. Der Fluglagewinkel (pitch) wird (zusammen mit den anderen Eulerwinkeln Azimut und Schräglage) durch Differenz zwischen Flugzeugfestem und Geodätischen (also Erdlotfestem Koordinatensystem) gebildet.

Wenn Du über Punkt 1 die Bezugsebene definierst, landest Du bei der erdlotfesten Horizontalen (also die den von der Längsachse ausgehenden Fluglagewinkel definierenden Ebene). Die Definition 2 ist demnach der Winkel zwischen erdlotfester Horizontalen und Anströmrichtung. Dieser trägt die Bezeichnung „Flugwindneigungswinkel“ und ist nicht übergeordnet interessant. Nähere Beschreibungen findest Du in der DIN 9300 oder dem Brockhaus. [1], [2].

1.) Ist durch Bordmittel relativ einfach zu ermitteln: Man braucht nur die Daten des AI. (Bei Flugzeugen mit Wölbklappen braucht man zusätzloich noch die Klappenstellung, weil sich durch Veränderung der Klappen der Einstellwinkel ändert. Deswegen berücksichtigt ja z.B. die Lösung von Aspen die Klappenstellung

Korrekt, der Winkel zwischen Flugzeuglängsachse und geodätischen Horizontalen lässt sich vergleichsweise einfach ermitteln, zum Beispiel über einen AI. Allerdings ist dieser Winkel von der Klappenstellung unabhängig. Wenn der AI einen Fluglagewinkel von 9° misst, tut der dies sowohl mit als auch ohne Klappen. Die Berechnung des Anstellwinkels ist im Aspen übrigens von der Klappenstellung unabhängig. Das, was Konfigurationsabhängig ist, ist der Anstellwinkel bei C_A,max, daher die Kalibrierung in zwei Konfigurationen [3]

2.) ist mit bordgestützten Systemen nicht trivial zu ermitteln. In ruhiger Umgebungsluft ist das gleich dem Bahnwinkel und kann damit ohne Probleme entweder über GPS-Geschwindigkeit/-sinken oder über Fahrtmesser/Vario ermittelt werden.

Naja, den Flugwindneigungswinkel kann man tatsächlich nicht ohne weiteres bestimmen, aber den möchte man ja auch nicht haben. Den Flugbahnneigungswinkel hingegen kann man tatsächlich durchaus bestimmen. Und diesen benötigt man zur Bestimmung des Anstellwinkels.

• In vertikal bewegter Luft wird es nun schwierig: Wieder leifert das GPS hier falsche Daten für die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeuges im Verhältnis zu Luft. Das Vario allerdings auch! Da dieses über Druckunterschiede funktioniert misst es auch die Höhenänderung und nicht die Vertikalbewegung relativ zur Luft.
  Man bräuchte hier die Daten eines totalenergiekompensierten Nettovariometers, um wieder "richtig" rechnen zu können. Allerdings braucht so eines in der Regel auch einen extra Sensor und ist vor Allem bei Motorflugzeugen prinzipbedingt nicht wirklich möglich, weil man die Energieabgabe des Motors nicht vernünftig rausrechnen kann.

Wenn man einmal davon absieht, daß eine elektrische bzw. Sondenunabhängige Totalenergiekompensation bereits in den 1960er Jahren bekannt war [4], vernachlässigst Du den Momentenhaushalt des Flugzeugs. Anstellwinkelschwingungen durch Änderung der Vertikalwindgeschwindigkeit sind sehr gut gedämpft und das Flugzeug kehrt zu seinem Trimmpunkt zurück [5]. Diese Schwingung möchte man ohnehin nicht auf der Anzeige sehen, man würde sie wegdämpfen. Bleibt also noch der konstante Vertikalwind. Auch hier nimmt das Flugzeug die durch den Momentenhaushalt vorgegebene Fluggeschwindigkeit ein. Das bedeutet, daß sich sowohl Fluglagewinkel, als auch Flugbahnneigungswinkel gleichermaßen ändern.

Deswegen zeigen AoA-Systeme ohne extra Sensor bei vertikal bewegter Luftmasse prinzpbedingt nicht richtig an.

Das ist nicht richtig. Zumal der Anstellwinkel nicht nur über die Winkel errechenbar ist, sondern auch über das Normalkraftderivat C_Nα. Hierbei wird der Anstellwinkel über das Normalkraftderivat aufgetragen und mit einem INS/GPS-Sensor gemessen und mit Luftdaten korreliert. Dieser Algorithmus läuft etwas robuster als die Bestimmung über die Winkel.

[1] https://www.beuth.de/de/norm/din-9300-1/1608582

[2] https://www.springer.com/de/book/9783642014420

[3] https://aspenavionics.com/Aspen%20AOA%20FAQs.pdf

[4] https://www.betsybyars.com/guy/soaring_symposia/69-vario.html

[5] Jeder Einführungsflug in der PPL-Schulung

Malte, ich hätte Dir gerne grüne 5er gegeben für diesen exzellenten, fundierten und mit Quellen belegten Beitrag.