Wissenschaftlicher Projekthintergrund
Das Windkanalmodell DLR-F15 beschreibt den Aufbau eines zweidimensionalen Flügelprofils mit Hochauftriebssystemen. Ziel ist die Untersuchung ihrer Aerodynamik und der Wirksamkeit von aktiver Strömungskontrolle durch Ausblasen auf der Flügel- und Klappenoberseite auf das Auftriebsverhalten.
Das Modell wurde bislang in einer Wand-zu-Wand-Konfiguration in umfangreichen Untersuchungen in den Windkanälen DNW-NWB und DNW-KKK im Rahmen von DLR-Projekten und nationalen Verbundvorhaben eingesetzt.
Die Übertragung der Ergebnisse auf einen realen dreidimensionalen Flügel ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da verschiedene Faktoren wie Reynolds- und Machzahl, Flügelzuspitzung und Querströmungen sowohl qualitativ als auch quantitativ das Strömungsverhalten wesentlich charakterisieren. Im Gesamtbild ließen sich Wechselwirkungen und die Einflüsse der einzelnen Faktoren nicht separieren. Ihre getrennte Untersuchung ist aber unumgänglich um Verbesserungspotenziale am 3D-Flügel gezielt aufzeigen zu können.
Der Einfluss von Reynolds- und Machzahl wurde bereits durch den Einsatz im DNW-KKK umfangreich untersucht. Der nächste Schritt ist die Untersuchung des Querströmungsverhaltens aufgrund des Schiebewinkels.
Hierfür wird der vorliegende Flügel im schiebenden Flugzustand einseitig eingespannt und an der Flügelspitze als Abschluss mit einem Verdrängungskörper versehen. Der zweidimensionale Flügel wird so mit einem Schiebewinkel versehen, woraus sich die Bezeichnung 2,5D ableitet und mit der Untersuchung im DNW-NWB Braunschweig zur Projektbezeichnung F15 NWB 2,5D führt.
Herausforderungen in Konstruktion und Fertigung
Sowohl das Modell als auch der Support des Windkanals werden in diesem Projekt außerhalb ihrer ursprünglichen Rahmenbedingungen betrieben. Sie sind weder für einseitige Einspannung noch eine Beanspruchung durch ein entsprechend großes Biegemoment ausgelegt. Ebenso vergrößerte der geringe Bauraum die Komplexität des Aufbaus erheblich:
So passt der Flügel in schiebender Anordnung beispielsweise kaum in den Drehteller. Erschwerend kamen sowohl der geforderte Verzicht auf mechanische Bearbeitung des Flügels und des Drehtellers als auch Forderungen nach stufenloser Einstellbarkeit des Schiebewinkels und der Seitenneigung hinzu. Zudem nahm aufgrund der einseitigen Einspannung die Druckluftzufuhr der Ausblasung nun den doppelten Bauraum wie im 2D-Versuch ein.
Nach Sicherstellung der Festigkeit von Drehteller und Flügel über FEM-Berechnungen stellte sich eine Flügeleinspannung ähnlich der eines Schraubstockes als am meisten geeignet heraus. Diese findet in einer als Schweißbaugruppe ausgeführten und beliebig ausrichtbaren Schaukel Platz. Die modulare Bauweise des Wingtips sicherte die Kompatibilität mit allen Klappenstellungen und Schiebewinkeln, zudem realisiert es auch die Verschlauchung der Ausblasung über die Klappe.
Insbesondere die Produktion der komplexen und detailreichen Schweißbaugruppe sowie der aufwändigen Lagerungen sind fertigungsseitig besonders hervorzuheben. Das gilt ebenso für diffizile Anpaßarbeiten am Drehteller sowie die gezielte Materialkomposition an den Einspannstellen des Flügels, welche die empfindliche Flügeloberfläche einerseits nicht verletzen und andererseits trotzdem den hohen Belastungen standhalten.
Die Ergebnisse des Windkanaltests im Herbst 2011 zeigen den Einfluss der Querströmung deutlich auf und sind folglich essenziell für die Gestaltung der Hochauftriebshilfen am 3D-Flügel.