Windkanaltest eines hochflexiblen Flügels hoher Streckung für ein zukünftiges Forschungs-UAV

Erhöhung der Reichweite und Effizienz von Flugzeugen durch Tragflügel hoher Streckung

Eine große Reichweite ist gleichzusetzen mit einer großen Effizienz des Flugzeuges bzw. geringeren Emissionen. In dieser Formel bedeuten V die Fluggeschwindigkeit, e der spezifische Brennstoffverbrauch und g die Gravitationskonstante. Der erste Term kann folglich erhöht werden durch Erhöhung der Fluggeschwindigkeit oder Erniedrigung des spezifischen Brennstoffverbrauchs (effizienteres Triebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis). Der Ausdruck In (m_Start / m_Ende) ist das (logarithmische) Massenverhältnis von Start und Landung (die Differenz ist die Brennstoffmasse), zur Erhöhung muss die Leermasse des Flugzeuges also so klein wie möglich gehalten werden, was durch Leichtbau mit entsprechenden Materialien (bspw. Faserverbundwerkstoffen) erreicht werden kann. Schließlich bezeichnet L / D die sog. Gleitzahl des Flugzeuges (Lift over Drag), sie ist eine rein aerodynamische Größe und gibt an, wie weit ein Flugzeug bei vorgegebener Höhe gleiten kann, also wie widerstandsarm vor allem die Tragflügel sind (ein typischer Wert eines modernen Transportflugzeuges ist 18). Die größten Steigerungen der Leistung bzw. der Reichweite lassen sich bei Transportflugzeugen mit klassischem Design fast ausschließlich durch eine Erhöhung der Gleitzahl erreichen. Da der Auftrieb (Lift) aber von der Flugzeugmasse abhängt und fest vorgegeben ist, muss der aerodynamische Widerstand gesenkt werden. Der Widerstand setzt sich aus zwei Hauptkomponenten zusammen, dem Reibungswiderstand (die Grenzschicht der Luft reibt an der Oberfläche des Flugzeuges), und dem sog. induzierten Widerstand. Der erste Anteil kann dadurch reduziert werden, dass ein Großteil des Flügels (etwa die Hälfte von der Nasen- bis zur Endleiste) laminar umströmt wird – die technische Realisierung eines solchen Laminarflügels ist bei Transportflugzeugen jedoch äußerst anspruchsvoll. Der zweite Anteil, der induzierte Widerstand, ist abhängig von der Bauform des Flügels. Er wird reduziert, wenn der Tragflügel ein hohes Streckungsverhältnis Λ besitzt. Es ist definiert als:

Λ = b² / F

Alles hat seinen Preis – aeroelastische und flugmechanische Herausforderungen hochgestreckter Flügel

Wie in einem vorherigen Fachartikel beschrieben ist, geht die Entwicklung von Tragflügeln hoher Streckung mit großen technischen Schwierigkeiten einher. Das Problem ist in erster Linie die – bei in etwa gleichem Materialeinsatz – deutlich erhöhte strukturelle Flexibilität, bereits im Reiseflug biegen sich die Tragflächen deutlich stärker nach oben. Soll die Flexibilität zur Reduktion dieser Deformationen reduziert werden, muss der Flügel schwerer gebaut werden; mit Blick auf die oben vorgestellte Breguet’ sche Reichweitenformel muss folglich ein Kompromiss zwischen (zulässiger) Deformation des Flügels im Flug und Massenzunahme gefunden werden, was umfangreiche aeroelastische Analysen im Vorentwurf des Flugzeuges nötig macht. Insbesondere die aeroelastischen Charakteristiken von Tragflügeln hoher Streckung sind seit einigen Jahren Gegenstand umfangreicher Untersuchungen.

Ein weiteres Problem von Flugzeugen mit Flügeln hoher Streckung sind deren spezifische flugmechanische Eigenschaften. Insbesondere müssen die Disziplinen Aerodynamik, Strukturdynamik, und Flugmechanik nicht nur für sich alleine, sondern besonders deren gegenseitige Beeinflussungen beachtet werden. Beispielsweise müssen für die klassischen flugmechanischen Betrachtungsweisen die meist linearisierten Faktoren (Beiwerte), die für die Ermittlung der flugmechanischen Stabilität und Steuerbarkeit des Flugzeuges verwendet werden, aufwendig für die verschiedenen Flugzustände (z. B. Reiseflug, Kurvenflug oder Böen) des Flugzeuges ermittelt werden, insbesondere wird die strukturelle Flexibilität des (hochgestreckten) Flügels zu einem wichtigen Parameter. Neuere und genauere Analyseverfahren für die Flugmechanik und Aeroelastik, die für zukünftige Flugzeuggenerationen notwendig werden (es ist anzunehmen, dass insbesondere Transportflugzeuge der kommenden Generationen nicht ohne hochgestreckte Flügel auskommen werden) formulieren die Abhängigkeiten der Disziplinen von vornherein in Form nichtlinearer Zusammenhänge und Gleichungen. Dies ist eines der aktuellen Forschungsthemen des FMRA an der TU Berlin. Der Flugversuchsträger TU-Flex wurde genau hierfür konzipiert, denn er besitzt einen hochgestreckten Flügel hoher Flexibilität, dessen niedrigste strukturelle Eigenfrequenzen bereits in der Nähe von flugmechanischen Eigenfrequenzen (Anstellwinkelschwingung und Taumelschwingung) liegen. Somit tritt im Flug eine Kopplung von Flugmechanik und Aeroelastik auf. Eine derartige Auslegung würde bei einem konventionellen Transportflugzeug mit verhältnismäßig hoher Steifigkeit des Flügels nicht auftreten, aber bei TU-Flex wird sie bewusst in Kauf genommen. Denn für eine dynamische Analyse zur Vorhersage oder zum Ausschließen dieser Kopplungen sind Simulationsmodelle notwendig, die die korrekte Interaktion zwischen Flugmechanik und Aeroelastik auch mit nichtlinearen Effekten beinhalten. Mit modernen Flugregelungsverfahren, die ebenfalls am FMRA der TU Berlin entwickelt werden, sollen eine Entkopplung der flugmechanischen und elastischen Schwingungen sowie weitere Funktionen der Bahn- und aeroelastischen Regelung im Flugversuch demonstriert werden, um letztlich einem Flugzeug mit hochgestrecktem Flügel in puncto Steuerbarkeit zum Durchbruch zu verhelfen.

Windkanalexperimente dienen zur Validierung der Eigenschaften des TU-Flex Flügelentwurfes

Bestimmung der strukturdynamischen Eigenschaften des Flügels vor dem Windkanaltest

Referenzen: