Buch, Deutsch, 134 Seiten, GB
Buch, Deutsch, 134 Seiten, GB
ISBN: 978-3-86387-439-1
Verlag: Mensch & Buch
Aus wirtschaftlicher, aber auch aus ökologischer Sicht wird die Optimierung der aerodynamischen Komponenten heutiger Verkehrsflugzeuge immer weiter vorangetrieben, sodass sie in allen Flugphasen möglichst effektiv und effizient arbeiten. So wurde es im Zuge der Erhöhung der Fluggeschwindigkeiten und der daraus resultierenden Verkleinerung der Flügelflächen notwendig, für die bei Start und Landung erforderlichen hohen Auftriebsbeiwerte sogenannte Hochauftriebshilfen zu entwerfen. Ausgehend von den ersten einfachen Klappen ging die Tendenz bis Ende der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts hin zu mechanisch immer komplexeren Klappensystemen bis zur Dreifachspaltklappe. Nachteile dieser sehr komplexen Klappensysteme sind neben ihrem hohen Gewicht der erforderliche systemtechnische Aufwand sowie die steigenden Kosten für Wartung und Instandhaltung.
Aufgrund dieser Nachteile geht der Trend in der Entwicklung der Hochauftriebssysteme wieder zu einer Reduzierung der Klappenanzahl, allerdings bei gleich bleibender aerodynamischer Leistung. Um die gleichen Auftriebswerte mit einem Einfachspaltklappensystem zu erreichen, ist es jedoch notwendig sehr große Klappenwinkel zu realisieren. Das Problem, das sich in diesem Zusammenhang ergibt, ist die auftretende Strömungsablösung auf der Klappe bei hohen Klappenwinkeln und der daraus resultierende Auftriebseinbruch. Durch den Einsatz moderner experimenteller und numerischer Methoden besteht die Möglichkeit, durch eine Optimierung von Spalt und Überlappung der einzelnen Elemente, die Auftriebswerte zu verbessern. Allerdings führen diese Maßnahmen zu keiner signifikanten Steigerung der aerodynamischen Kennwerte.
Eine Methode zur Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften, welche auf die Vermeidung bzw. Verzögerung der Klappenablösung zielt, ist die aktive Strömungskontrolle (AFC - Active Flow Control). Im Unterschied zu den passiven Maßnahmen, bei denen eine Umverteilung der Energie in der Grenzschicht die Ablösung verzögern soll, wird bei der aktiven Beeinflussung externe Energie (z. B. über Wandschlitze) in das ablösegefährdete Gebiet eingebracht, um eine Strömungsablösung zu unterbinden bzw. zu verzögern. Anfangs wurde das kontinuierliche Ausblasen und Absaugen untersucht, da sich eine Umsetzung dieser Systeme gegenüber einem gepulst arbeitenden Anregesystem erheblich leichter gestaltet. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich allerdings die instationären Anregemethoden, wie das periodische Ausblasen/Einsaugen und das gepulste Ausblasen von Druckluft, immer mehr durchgesetzt. Hintergrund ist hierbei die effizientere Ausnutzung der eingesetzten Energie durch eine Interaktion mit den in der Strömungsablösung vorhanden Instabilitäten. Durch die Anregung dieser Instabilitäten kann eine erhöhte Durchmischung der Strömung, bei geringerem Energieeintrag, erreicht werden, was zu einem Wiederanlegen der Strömung, einem Verzögern der Strömungsablösung oder sogar zur Vermeidung der Strömungsablösung führt.
Neben der weiteren Optimierung der Anregesysteme und der dafür erforderlichen Systemtechnik stellt die Erprobung der Technik im Flugversuch den nächsten Schritt in Richtung einer Nutzung in der zivilen Luftfahrt dar. Wie groß dieser Schritt ist, zeigt sich deutlich in der Tatsache, dass auf diesem Gebiet bis auf einen dokumentierten Flugversuch an dem Tiltrotor-Experimentalflugzeug XV-15 (Nagib et al., 2004; McVeigh et al., 2011) im Schwebeflug keine weiteren Flugexperimente durchgeführt wurden, abgesehen von Untersuchungen an „unmanned aerial vehicles“ (UAV’s).
In der vorliegenden Arbeit soll daher der Nachweis erbracht werden, dass das Prinzip der aktiven gepulsten Strömungskontrolle vom Windkanalversuch auf den Flugversuch an der Wölbklappe einer Stemme S10 VTX übertragbar ist. Hierzu soll ein druckluftbetriebenes Aktuatorsystem im Windkanalversuch dahingehend weiterentwickelt und optimiert werden, dass es den Anforderungen im Flugversuch entspricht. Zur Charakterisierung des Anregesystems sowie zur Identifizierung effektiver Anregeparameter kommt einerseits eine Sechs- Komponentenwaage und andererseits die Time-Resolved Particle Image Velocimetry (TR-PIV) zum Einsatz. Ergänzt werden diese durch Druckmessungen und Strömungsvisualsierungen wie Ölanstrichbilder und Wollfäden im Flugversuch.
Die Untersuchungen mit der Stemme S10-VTX sollen anschließend die wissenschaftliche Lücke zwischen dem Windkanalversuch und der Anwendung der aktiven gepulsten Strömungskontrolle im Flugversuch schließen und Erkenntnisse darüber geben, inwieweit Windkanalergebnisse auf den Flugversuch übertragbar sind.
Grund
Windkanal- und Flugversuche zur aktiven Ablösekontrolle an der Wölbklappe des Flugdemonstrators Stemme S10 jetzt bestellen!
Aufgrund dieser Nachteile geht der Trend in der Entwicklung der Hochauftriebssysteme wieder zu einer Reduzierung der Klappenanzahl, allerdings bei gleich bleibender aerodynamischer Leistung. Um die gleichen Auftriebswerte mit einem Einfachspaltklappensystem zu erreichen, ist es jedoch notwendig sehr große Klappenwinkel zu realisieren. Das Problem, das sich in diesem Zusammenhang ergibt, ist die auftretende Strömungsablösung auf der Klappe bei hohen Klappenwinkeln und der daraus resultierende Auftriebseinbruch. Durch den Einsatz moderner experimenteller und numerischer Methoden besteht die Möglichkeit, durch eine Optimierung von Spalt und Überlappung der einzelnen Elemente, die Auftriebswerte zu verbessern. Allerdings führen diese Maßnahmen zu keiner signifikanten Steigerung der aerodynamischen Kennwerte.
Eine Methode zur Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften, welche auf die Vermeidung bzw. Verzögerung der Klappenablösung zielt, ist die aktive Strömungskontrolle (AFC - Active Flow Control). Im Unterschied zu den passiven Maßnahmen, bei denen eine Umverteilung der Energie in der Grenzschicht die Ablösung verzögern soll, wird bei der aktiven Beeinflussung externe Energie (z. B. über Wandschlitze) in das ablösegefährdete Gebiet eingebracht, um eine Strömungsablösung zu unterbinden bzw. zu verzögern. Anfangs wurde das kontinuierliche Ausblasen und Absaugen untersucht, da sich eine Umsetzung dieser Systeme gegenüber einem gepulst arbeitenden Anregesystem erheblich leichter gestaltet. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich allerdings die instationären Anregemethoden, wie das periodische Ausblasen/Einsaugen und das gepulste Ausblasen von Druckluft, immer mehr durchgesetzt. Hintergrund ist hierbei die effizientere Ausnutzung der eingesetzten Energie durch eine Interaktion mit den in der Strömungsablösung vorhanden Instabilitäten. Durch die Anregung dieser Instabilitäten kann eine erhöhte Durchmischung der Strömung, bei geringerem Energieeintrag, erreicht werden, was zu einem Wiederanlegen der Strömung, einem Verzögern der Strömungsablösung oder sogar zur Vermeidung der Strömungsablösung führt.
Neben der weiteren Optimierung der Anregesysteme und der dafür erforderlichen Systemtechnik stellt die Erprobung der Technik im Flugversuch den nächsten Schritt in Richtung einer Nutzung in der zivilen Luftfahrt dar. Wie groß dieser Schritt ist, zeigt sich deutlich in der Tatsache, dass auf diesem Gebiet bis auf einen dokumentierten Flugversuch an dem Tiltrotor-Experimentalflugzeug XV-15 (Nagib et al., 2004; McVeigh et al., 2011) im Schwebeflug keine weiteren Flugexperimente durchgeführt wurden, abgesehen von Untersuchungen an „unmanned aerial vehicles“ (UAV’s).
In der vorliegenden Arbeit soll daher der Nachweis erbracht werden, dass das Prinzip der aktiven gepulsten Strömungskontrolle vom Windkanalversuch auf den Flugversuch an der Wölbklappe einer Stemme S10 VTX übertragbar ist. Hierzu soll ein druckluftbetriebenes Aktuatorsystem im Windkanalversuch dahingehend weiterentwickelt und optimiert werden, dass es den Anforderungen im Flugversuch entspricht. Zur Charakterisierung des Anregesystems sowie zur Identifizierung effektiver Anregeparameter kommt einerseits eine Sechs- Komponentenwaage und andererseits die Time-Resolved Particle Image Velocimetry (TR-PIV) zum Einsatz. Ergänzt werden diese durch Druckmessungen und Strömungsvisualsierungen wie Ölanstrichbilder und Wollfäden im Flugversuch.
Die Untersuchungen mit der Stemme S10-VTX sollen anschließend die wissenschaftliche Lücke zwischen dem Windkanalversuch und der Anwendung der aktiven gepulsten Strömungskontrolle im Flugversuch schließen und Erkenntnisse darüber geben, inwieweit Windkanalergebnisse auf den Flugversuch übertragbar sind.
Autoren/Hrsg.
Bitte ändern Sie das Passwort
