Und die nächste Abschlussarbeit geht in unser 20m-Flächenklappenflugzeug! In seiner Bachelorarbeit hat Nikolas Dasbach sich mit dem Flügelprofil der B14 beschäftigt, sodass nun eine fundierte Aussage über die aerodynamischen Auslegungsprinzipien getroffen werden kann. Indem er die Parametervariation eines Flächenklappenprofils untersuchte, soll die B14 den gewünschten Flugeigenschaften nun gerecht werden.
Verfasst von Nikolas Dasbach:
Da die B14 für Wettkämpfe im Streckensegelflug optimiert wird, fokussiert sich die Auslegung vor allem auf den Schnellflug. Für die aerodynamische Analyse bedeutet das große Reynolds-Zahlen und kleine Auftriebsbeiwerte. Eine Flächenklappe soll die Leistung weiter steigern, indem diese für den Schnellflug eingefahren und umgekehrt für den Langsamflug ausgefahren wird. So ergeben sich zwei verschiedene Profile, die jeweils analysiert werden müssen. Hierzu verwenden Aerodynamiker:innen Beiwertsverteilungen, die den Widerstand, den Auftrieb oder Druck im Fokus haben.
Die Untersuchung mit eingefahrener Flächenklappe:
Das übergeordnete Ziel für Segelflugzeugprofile ist, den Widerstand zu minimieren. Der Reibungswiderstand, der durch turbulente Strömung verstärkt wird, kann durch eine möglichst lange Laufstrecke von laminarer Strömung verringert werden. Profile dieser Art werden auch Laminarprofile genannt.
Die Akaflieg Stuttgart hat bereits das Programm FoilBoXX entwickelt, das nun auch wir zur Auslegung verwenden können. FoilBoXX erlaubt es Nutzer:innen, eine Druckbeiwertverteilung vorzugeben, anhand derer die zugehörige Profilkontur invers berechnet wird.
Durch eine stetige Beschleunigung der Strömung bzw. eine stetige Druckabnahme auf der Profiloberseite wird die Laminarhaltung der Luftströmung gewährleistet. Ein weiterer aerodynamischer Trick ist, in der Druckbeiwertsverteilung eine Ausrundung einzubauen. Diese soll plötzlichen Flugzustandsänderungen standzuhalten. Somit lassen sich sogenannte Saugspitzen vermeiden, die zum Umschlag und Strömungsabriss führen können.
Druckbeiwertsverteilung
Laminare Strömungen sind zwar reibungsarm, haben jedoch den Nachteil, dass sie stärker ablösegefährdet sind als turbulente Strömungen.
In einer laminaren Strömung wird nicht so viel kinetische Energie an die Wand transportiert, wie in einer turbulenten Strömung.
Die laminare Strömung ist „energieärmer“ und kann dem positiven Druckgradienten im hinteren Bereich des Profils nicht so gut standhalten. Daher muss ein Umschlag zur turbulenten Strömung erfolgen, bevor es zur Ablösung kommt. In der Druckverteilung wird dafür gezielt eine kleine konvexe Ausrundung eingebaut, die dafür sorgt, dass die Strömung letztendlich zum Umschlag geführt wird (rechtes Bild, rot umrandet). Auf der Profilunterseite wird die Ausdehnung der laminaren Laufstrecke durch eine kleine eingebaute Saugspitze realisiert (vgl. Abbildung Effekt der Umschlagsrampe). In diesem Fall ist die Saugspitze förderlich, da die Strömung nah an der Ablösegrenze gehalten wird und somit ihren geringsten Reibungswiderstand vorweist. Das Ergebnis ist ein scharfes unteres Laminardelleneck in der Widerstandspolare, das den laminaren Bereich maximiert.
Auch hier gilt, dass Saugspitzen stark ablösegefährdet sind… Und abgelöste Strömung geht mit einem hohen Widerstandsanstieg einher. Um dem vorzubeugen, wird die Funktionalität der Wölbklappe angewendet. Negatives Ausschlagen der Wölbklappe verschiebt das untere Laminardelleneck hin zu kleineren Auftriebsbeiwerten (Abbildung: Effekt der Wölbklappe).
In der Widerstandspolare ist das untere Laminardelleneck deutlich zu erkennen. Durch die Ausrundung in der Druckbeiwertsverteilung der Oberseite wird auch der Verlauf der Widerstandspolare runder. Bei plötzlichem Anstellwinkel wird eine Saugspitze vermieden. Der Widerstandsanstieg ist über einen erheblichen Auftriebsbereich gering.
Untersuchung mit ausgefahrener Flächenklappe:
Welche Auftriebsbereiche sind für die jeweiligen Wölbklappenausschläge geeignet?
Positive Ausschläge (nach unten) sorgen für erhöhten Auftrieb, da die Wölbung des Profils größer ist. Ab einem bestimmten Winkel bildet die Strömung Saugspitzen über der Klappe aus oder löst sogar über der Klappe ab (vlg. Druckbeiwertsverteilung des Profils mit ausgefahrener Flächenklappe), wie bei einem Winkel von 10° zu erkennen ist.
Die eingehüllte Polare des entworfenen Profils ist eine Übersicht über verschiedene Flugzustände, die das Profil optimal erreichen kann. Alle Interessierten finden in der Tabelle die empfohlene Zuordnung von Fluggeschwindigkeiten und Klappenausschlägen.
| Flugzustand | u∞ [km/h] | β [°] |
|---|---|---|
| Kreisflug | 25;30 | 0; 5 FK ausgefahren |
| Langsamflug | 79 | 7, FK ausgefahren |
| mittlerer Reiseflug | 125 | 5 |
| Typischer Vorflug | 145 | 0 |
| Schnellflug | 180;200 | 0; -2.5 |
| Hochgeschwindigkeit | 220; 250 | -2.5;-4 |
| Never Exceed Speed | 280 | -4 |
Was passiert jetzt?
Momentan wird der Entwurf des Profils weiterentwickelt. Es werden verschiedene spannweitige Querschnitte untersucht für die neue Profile entworfen werden. Darauf aufbauend sollen CFD Analysen den Entwurf validieren und letztendlich im Windkanal überprüft werden.