Verbesserung der Flatterstabilität eines Flugzeuges durch stationäres Ausfahren von Spoilern
Der Begriff Flattern stellt eines der zentralen Phänomene im Bereich der Aeroelastik dar und beschreibt eine selbsterregte Schwingung, die im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung von Flugzeugkomponenten und schließlich des Flugzeugs selbst führen kann. Besonders im transsonischen Geschwindigkeitsbereich ist das Risiko für Flatterschwingungen erhöht. Deshalb ist im Entwurfsprozess eines Flugzeuges unbedingt Wert darauf zu legen, solche kritischen Zustände zu vermeiden. Maßnahmen, die direkt Einfluss auf das Flatterverhalten nehmen können, sind wichtiger Bestandteil in der Luftfahrtforschung. Ein möglicher Ansatz ist dabei der Einsatz von Spoilern.
Effekte im transsonischen Geschwindigkeitsbereich
Verteilung der lokalen Machzahl um ein Flügelprofil (Isolinie bei Mach 1) in transsonischer Strömung
Die meisten Verkehrsflugzeuge bewegen sich auf ihrer Reiseflughöhe im transsonischen Geschwindigkeitsbereich, d.h. bei Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit. Beim Überschreiten der sogenannten kritischen Machzahl kommt es auf den Flugzeugstrukturen, wie z.B. den Tragflächen, zur Ausbildung von supersonischen Gebieten (Mach>1), die für gewöhnlich mit einem Stoß abschließen. Dieser ist gekennzeichnet durch einen abrupten Druckanstieg und eine Reduktion der Geschwindigkeit. Je nach Stoßintensität können zudem Strömungsablösungen hinter diesem auftreten. Diese aerodynamischen Effekte besitzen einen entscheidenden Einfluss auf das aeroelastische Verhalten von Flugzeugen: Ein plötzlicher Rückgang der Flattergrenze und somit eine Reduktion des kritischen Wertes des Flatterkoeffizienten, ab dem Flatterschwingungen eintreten können, kann beobachtet werden. Dieses Phänomen wird als transonic dip beschrieben.
Die Sicherstellung der Flatterstabilität besitzt eine große Priorität im Entwurfsprozess eines Flugzeuges. Besonders im transonic dip stellt sich also die Frage, ob durch geeignete Maßnahmen, welche vor allem die Stoßausbildung beeinflussen, die Flattergrenze „angehoben“ werden kann. Beispiele für solche Maßnahmen sind die Absaugung und -ausblasung der Strömungsgrenzschicht sowie das Ausbeulen der Tragfläche. Diese Maßnahmen besitzen allerdings den Nachteil ihrer konstruktiven Komplexität. Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz von Spoilern. Als elementare Flügelkomponenten werden sie zur Erzeugung von Luftwiderstand und zur Reduktion von Auftrieb eingesetzt. Könnten sie vielleicht aber auch die Funktion einnehmen Flatterschwingungen zu unterdrücken?
Mit CFD dem transonic dip auf den Grund gehen
Die Abteilung Aeroelastische Simulation untersucht das Potential von Spoilern als Technologie zur semi-aktiven Flatterunterdrückung. Dies bedeutet, dass der Spoiler bei kritischen Zuständen in eine feste Position ausgefahren wird, danach aber nicht weiter geregelt werden muss. Dazu werden erste grundlegende Studien an Computermodellen von Flügelprofilen durchgeführt. Aufgrund der komplexen aerodynamischen Effekte in der Transonik müssen High-Fidelity-Methoden aus dem Bereich der CFD (computational fluid dynamics) angewendet werden, um die wirkenden instationären Luftkräfte im transonic dip überhaupt auflösen zu können. Das Strömungsfeld muss dazu in ein feines Gitter aufgeteilt werden, so dass anschließend für jede Gitterzelle die sogenannten Reynolds-gemittelten-Navier-Stokes-Gleichungen (RANS-Gleichungen) gelöst werden, die die Aerodynamik physikalisch beschreiben.
Berechnungsgitter um Flügelprofil mit Spoiler zum Einsatz für CFD-Simulationen
Die Untersuchungen mit den Computermodellen zeigen, dass bereits kleine Auslenkungen des Spoilers (Winkel ≤ 10°) einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des transsonischen Strömungsfeldes besitzen. Durch den Spoiler wird die Strömung auf der Profiloberfläche entschleunigt, so dass die Bildung von Stößen verhindert wird. Bezüglich des aeroelastischen Verhaltens kann dadurch die Flattergrenze im Bereich des transonic dip angehoben werden. Allerdings zeigt sich, dass die Veränderung der Flattergrenze sehr sensitiv gegenüber der Spoilerauslenkung ist und nicht immer eine Erhöhung des Flatterkoeffizienten erzielt wird. Für ein robusteres Verhalten muss der Spoiler je nach Machzahl verfahren werden. Aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen sollen in einem nächsten Schritt Computermodelle von einem dreidimensionalen Flugzeugflügel untersucht werden, um das Potential von Spoilern im Einsatz zur Flatterunterdrückung weiter erforschen zu können.
