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 + αw
Mit
Θ - Nickwinkel
γ – Flugbahnneigungswinkel
α – Anstellwinkel
αw – 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 αw 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:
- 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).
- 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 CA,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 CNα. 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
