Aeroflexible Oberflächenklappen als "Rückstrombremsen" nach dem Vorbild der Deckfedern des Vogelflügels

Teilprojekt:

"Biomechanik der Vogelfedern und deren bionische Umsetzung"





Giannino Patone

Werner Müller

Technical Report TR-96-05

May 1996




Email: patone@fb10.tu-berlin.de


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Ackerstr.71-76, Sekr.Ack1 fax: +49-30-31472658

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Germany


  1. Übersicht

Ausgangspunkt für dieses Projekt waren Beobachtungen, daß sich die Deckfedern am Vogelflügel beim Ablösen der Strömung aufrichten. Da Vögel selbst kritische Flugzustände meistern können, lag die Vermutung nahe, daß die Deckfedern als Rückstrombremse agieren und so ein Abreißen der Strömung verhindern. Nähere Studien konnten an freifliegenden Raubmöwen in der Antarktis durchgeführt werden (Abb.1).

Abbildung 1 Skua mit aufgerichteten Deckfedern (Rückstromtasche)

Der Effekt konnte jetzt in Modellversuchen mit künstlichen Deckklappen experimentell bestätigt werden. Die Deckklappen wurden aufbauend auf speziellen Untersuchungen zur Biomechanik der Vogelfedern entwickelt und auf einem Modellflügel im Windkanal getestet. Im Rahmen der Optimierung ergab sich eine schrittweise Annäherung an das Naturvorbild. Eine leichte Luftdurchlässigkeit (Porösität) der Klappen verhindert ihr vorzeitiges Abheben bzw. "Aufbuckeln". Sie ermöglicht die Einstellung eines Druckgleichgewichtes zwischen der Ober- und Unterseite der Klappen. Für das rechtzeitige Ansprechen der Klappen erwies sich eine weiche Hinterkante als wichtig. Bei Rückströmungen wirkt sie als Aktuator, der das Aufrichten der Klappen einleitet.

An dem verwendeten Modellflügel geringer Streckung bildeten sich im überzogenen Zustand ähnlich wie am Vogelflügel lokale Rückstrombereiche aus. Zu deren Begrenzung müssen die Klappen lokal reagieren d.h. Taschen bilden können, so daß die Umströmung der ungestörten Flügelabschnitte nicht beeinträchtigt wird. Für die Anwendung am Modellflügel wurden die Grundparameter gefunden, nun wird an einer Feinoptimierung für die Umsetzung in die Praxis gearbeitet. Bereits begonnene Untersuchungen zum Mechanismus (Druckmessungen, Strömungsvisualisierungen und Nachlaufuntersuchungen) sollen zum Verständnis des Phänomens beitragen. Letzteres ist für die Übertragung auf andere Applikationsfälle unabdingbar.

  1. Biomechanik der Vogelfedern
  1. Biegesteifigkeit

Die im vergangenen Berichtszeitraum begonnenen experimentellen Untersuchungen zur Biegefestigkeit von Vogelfedern wurden erfolgreich zu Ende geführt und ausgewertet. Untersucht wurden 30 Federn von 7 Vogelarten. Die Federn stammten zum größten Teil aus einer Sammlung der Universität Tübingen, die uns freundlicherweise zur Verfügung gestellt wurde. Es wurden für jede Feder die Biegefestigkeiten einzelner 5 mm-Teilstücke entlang des Schaftes ermittelt. Da die auf eine Feder einwirkenden Kräfte sehr stark von der Federfläche abhängig sind, wurden die Biegefestigkeiten auf die mittlere Breite der Teilstücke bezogen.

Die Prüfvorrichtung ermöglicht die Bestimmung der Biegefestigkeit von Teilstücken einer Feder. Der Schaft wird im Abstand von 5mm von der Einspannstelle auf eine Klinge gedrückt. Eine Mikrometerschraube dient dazu, die Feder in 1/10 mm Schritten nach unten zu bewegen. Die dabei auf die Spitze des Teilstückes wirkende Kraft wird mit einer Analysenwaage gemessen. Diese ist so konstruiert, daß die Waagschale bei Krafteinwirkung nicht ausgelenkt wird. Die Feder wurde bei der Messung um max. 1 mm auf 5 mm freier Länge ausgelenkt

Abbildung 2 Prüfvorrichtung für die Biegefestigkeit

Die empirische Beobachtung, daß die Spitzen der Deckfedern relativ weicher als die Schwungfedern sind, konnte durch umfangreiche Messungen bestätigt werden. Allerdings mußte diese allgemeine Aussage differenziert werden: Nur die Spitzen der Große Obere ArmDecken (GOAD), die sich in einem Flügelabschnitt befinden, in dem oft Rückströmungen auftreten, sind besonders weich.

Abbildung 3 Federbenennung (Anmerkung zur Nomenklatur: In der Ornithologie werden die Federn vom Handgelenk ausgehend gezählt: z.B. Armschwingen AS von außen nach innen, Handschwingen HS von innen nach außen)

Hingegen sind die äußeren (zur Flügelspitze gelegenen) Große Obere HandDecken (GOHD) in ihrem Festigkeitsverlauf den HandSchwingen (HS) sehr ähnlich .

Im folgenden Diagramm (Abbildung 4 Verlauf der Biegefestigkeit (allvkz.xls) sind die Festigkeitsverläufe zweier Federpaare (Schwung- und Deckfeder) eines Turmfalken exemplarisch dargestellt. Für die anderen Arten ergaben sich ähnliche Kurven.

Abbildung 4 Verlauf der Biegefestigkeit (allvkz.xls)

Die dargestellten Verläufe der Biegefestigkeiten verdeutlichen, daß die Deckfedern viel weicher sind als ihre zugehörigen Schwungfedern und daß die Festigkeit der Schwung- und Deckfedern um so größer ist, je weiter außen sie am Flügel ansetzen.

Da vornehmlich im Armbereich Rückströmungen auftreten, sind die Armdecken für die Festigkeitsmessungen von besonderem Interesse. Die GOAD10 weist einen großen Bereich (ca. 25 mm) an ihrer Spitze auf, in welchem sie sehr weich ist, und dies auf fast konstantem Niveau. Im Gegensatz dazu zeigen die Deckfeder der Handschwinge und die beiden Schwungfedern, neben größeren Steifigkeitswerten, eine von der Spitze zum Schaft kontinuierlich zunehmende Steifigkeit.

Für die Armfedern läßt sich der Verlauf des Festigkeitsverhältnisses modellhaft durch eine stilisierte Schwungfeder (AS) mit von der Spitze zum Schaft gleichmäßig zunehmender Steifigkeit und eine stilisierte Deckfeder (AD) mit gleichbleibend weichem Spitzenteil und erst später anwachsender Steifigkeit darstellen (Abb.5).

Abbildung 5 Festigkeitsverlauf einer stilisierten Armschwinge (AS) und der dazugehörigen Deckfeder (AD) (testscha.ds4)

Die konstant geringe Steifigkeit der Federspitze der Armdecke erklärt sich dadurch, daß die Deckfeder in diesem Bereich bereits so weich ist, daß ihre Festigkeit nicht mehr weiter verringert werden kann. Die Biegeeigenschaften dieses Federteils werden fast ausschließlich durch die Festigkeit der Federfahne bestimmt, die materialbedingt einen bestimmten Wert nicht unterschreiten kann. Der Federkiel ist hier so stark verjüngt, daß er mechanisch nicht in Erscheinung tritt.

Als Schlußfolgerung ergibt sich, daß die Spitzen der Armdecken so weich wie möglich gebaut sind, um als Auslöser (Aktuator) für das Aufrichten der Deckfeder im Fall von Rückströmungen auf der Flügeloberseite wirken zu können. Der übrige Bereich der Feder weist hingegen einen Festigkeitsverlauf auf, der wie bei den anderen Federn entsprechend dem Momentenverlauf bei gleichmäßiger Flächenbelastung ansteigt.

  1. Durchlässigkeit

Die Versuche zur Bestimmung der Luftdurchlässigkeit der Schwung- und Deckfedern wurden fortgesetzt. Die gewonnenen Ergebnisse lieferten weitreichende und zum Teil überraschende Einblicke in die Befiederungsstruktur der Vogelflügel.

Für das Vorhaben, künstliche Rückstromklappen nach dem Naturvorbild zu entwickeln, waren folgende Detailergebnisse von Bedeutung: Die Deckfedern sind so dicht gebaut, daß nur ein sehr geringer Volumenstrom durch die Federfläche dringen kann. Bei Queranströmung der Federfläche kann dieser praktisch vernachlässigt werden, so daß die Deckfedern als dynamisch luftdichte Flächen eingestuft werden können. Die Erkenntnis, daß sie jedoch nicht absolut luftundurchlässig sind, sollte sich als entscheidend für die weitere Projektentwicklung erweisen. Die leichte Porösität der Flügeldecken ermöglicht nämlich einen Druckausgleich zwischen deren Ober- und Unterseite, ohne den die Deckklappen im vorderen Bereich "aufbuckeln" würden. Die Bedeutung dieses Druckausgleiches soll an folgender schematischer Darstellung erläutert werden :

Abbildung 6 Druckverhältnisse am Flügel (durchlfl.ds4)

In Abbildung 6 a ist die Druckverteilung um ein angeströmtes Flügelprofil dargestellt. Das Gebiet des höchsten Unterdrucks liegt auf der Profiloberseite kurz hinter der Nasenregion. In Richtung Flügelhinterkante nimmt der Unterdruck stetig ab. Bringt man nun auf dieses Profil eine undurchlässige Klappe auf (die an dem, gegen die Strömung gerichteten Ende festgeklebt ist), so breitet sich unter der Klappe derjenige Druck aus, der an der Hinterkante der Klappe herrscht. Dieser Druck ist jedoch größer als der Außendruck, der auf den vorderen Bereich der Klappe wirkt. Als Konsequenz hebt der vordere Klappenteil selbst bei "gesunder", also noch anliegender Strömung vom Flügel ab, was einem Verändern des Profils gleichkommt und so die Polare des Profils in unerwünschter Weise beeinflußt (Auftriebsverminderung und Widerstandserhöhung). Werden aber statt dessen poröse Klappen verwendet, kann sich der jeweilige Außendruck über die gesamte Tiefe der Klappe durch diese hindurch auf die Unterseite ausbreiten, so daß sich ein Kräftegleichgewicht zwischen Klappenober- und unterseite einstellen kann. Wegen des geringen eingeschlossenen Luftvolumens reicht dafür ein minmaler Volumenstrom aus. Eine leichte Porösität der Klappen bildet somit den Mechanismus mit dessen Hilfe das Anliegen der Klappen bei normalen Flugzuständen erreicht werden kann.

Im Rahmen dieser Messungen wurde noch eine Vielzahl interessanter Details gefunden, die wertvolle Einblicke in die funktionsmorphologische Anpassung am Vogelflügel geben und für Biologen gleichermaßen wie für Bioniker von Interesse sein dürfen. Im vorliegenden Projekt spielen diese jedoch nur eine untergeordnete Rolle, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird.

Eine ausführliche Publikation der Versuchsergebnisse ist in Vorbereitung (soll beim "Journal of Experimental Biology" eingereicht werden).

  1. Untersuchungen am Modellflügel
  2. Versuchsaufbau

Am großen Freistrahl-Windkanal des FG Bionik und Evolutionstechnik wurde ein Messgestell für Messungen an einem Modellflügel umgebaut. Der Windkanal hat einen Auslaßdurchmesser von 1200 mm und läßt sich in unserer Versuchshalle mit Windgeschwindigkeiten von 6-15 m/s betreiben.

Abbildung 7 Bild Windkanal und Messgestell (wkanal.ds4)

  1. Modellflügel

Ein für unsere Grundlagenuntersuchungen geeignetes Flügelprofil muß zwei Anforderungen gerecht werden. Es muß beim Überziehen einen plötzlichen Einbruch des Auftriebes (Abreißen der Strömung) zeigen, und gleichzeitig unempfindlich gegen Störungen der Strömung durch Oberflächenrauhigkeiten sein. Letzteres ist wichtig, da die Klappenkonstruktionen zunächst auf den Flügel aufgeklebt werden sollen und der Flügel seine Profileigenschaften dabei nicht verändern darf. Anhand der Daten aus Flügelkatalogen und eigenen Messungen an verschiedenen bereits vorhandenen Flügelprofilen wurde ein geeignetes Profil ausgewählt. Danach erwies sich das NACA2412 als besonders geeignet. Ein entsprechender rechteckiger Modellfügel mit einer Spannweite von 700 mm und einer Flügelstreckung von 3,5 konnte in der hauseigenen Werkstatt hergestellt werden. Testmessungen in unserem Windkanal ergaben, daß bei 10 m/s die Polaren der Versuchstragfläche selbst durch das Aufbringen von 2 mm starken Klappenpaketen (in arretiertem Zustand) nicht beeinflußt wurden.

Zur Ermittlung der am Flügel wirkenden Widerstands- und Auftriebskräfte wurde eine 2-Komponenten Waage aufgebaut. Mittels einer speziell konstruierten Aufhängevorrichtung kann der Anstellwinkel des Versuchsflügels bei laufendem Windkanal stufenlos im Bereich von -40 bis 40 Grad variiert werden.

Der Flügel hängt für die Messungen an drei dünnen Drahtseilen 1,2 & 3 , welche über einen gemeinsamen (kippbaren) Trägerrahmen mit einer Laborwaage verbunden sind. Diese mißt die Auftriebskraft.

Die Widerstandskraft wird von zwei Rundstäben 5 & 6 aufgenommen, und über Drahtseile mit Umlenkrollen an eine zweite Waage unterhalb des Windkanals weitergeleitet.

Das Drahtseil 4 stabilisiert den Flügel seitlich; in dieser Richtung werden keine Kräfte gemessen.

Der Anstellwinkel wird durch Verändern der Länge des Drahtseiles 1 (Ankippen des oberen Trägerrahmens eingestellt.

Abbildung 8 Flügelaufhängung (flugbef.ds4)

Die Polaren d.h. die Kurven ca über cw bzw. ca über wurden zu Anfang durch manuelles einstellen des Anstellwinkel ermittelt, inzwischen ist der Versuchsaufbau automatisiert. Die Messdaten werden mit einem PC erfaßt und mitels einer hierzu geschriebenen Software ausgewertet. Diese erstellt eine Protokolldatei und am Ende jeder Messung eine graphische Darstellung der Messergebnisse, die ausgedruckt werden kann. Somit ist eine schnelle Beurteilung neuer Klappensysteme möglich.

  1. Klappenoptimierung
  2. Optimierungsziele

Durch künstliche Deckklappen nach dem Vorbild der Deckfedern des Vogelflügels soll der plötzliche Auftriebseinbruch beim Überziehen des Tragflügels verhindert oder zumindest hinausgezögert werden (Abb. 9).

Abbildung 9 Forschungsziel (ziel.ds4)

2. Die Klappen müssen sich selbständig (passiv) aufrichten wenn die Strömung abreist (Auftreten von Rückströmungen auf der Flügeloberseite) und sollen bei wieder anlegender Strömung (Verringerung des Anstellwinkels) selbständig in ihre Ausgangslage zurückkehren.

3. Außerdem sollen die Klappen im anliegenden Zustand, also bei gesunder Umströmung (Normalflug mit unterkritischem Anstellwinkel), die Polare des Flügelprofils nicht beeinflussen.

  1. Klappenmaterial

Vor der eigentlichen Optimierung stand die Suche nach geeigneten Materialien für den Klappenbau. Getestet wurden:

Für unsere Modellversuche stellte sich handelsübliche Photokopierfolie aus folgenden Gründen als vorläufig am besten geeignet heraus:


  1. Monoklappe (Klappengeometrie, Befestigung und mechanische Eigenschaften)

Die folgenden Versuche konzentrierten sich auf Klappen, welche aus mehreren Folienlagen unterschiedlicher Länge aufgebaut waren um eine, vom Ansatz zum Klappenende hin abnehmende Steifigkeit zu erreichen, wie sie auch bei den Vogeldeckfedern beobachtet werden konnte.

In einer ersten Versuchsreihe wurden in die Klappen in Anströmrichtung Federstahldrähte eingeklebt, die Federkiele simulieren und die Klappen an den Flügel andrücken sollten (zu diesem Zeitpunkt war uns die Bedeutung der Porösität der Flügeldecken noch nicht bewußt). Die Klappen waren mit doppelseitigem Klebeband auf den Flügel aufgebracht. Diese Klappen stellten sich aber bei abgerissener Strömung nicht genügend auf und konnten somit den Auftriebseinbruch nicht verhindern. Erst als die Klappen nicht mehr mit doppelseitigem Klebeband aufgebracht wurden, sondern mit einfachem Klebeband, gelenkig auf dem Profil befestigt wurden, gelang es den Auftriebseinbruch entscheidend zu beeinflussen.

Abbildung 10 Klappen mit unterschiedlicher Steifigkeit falk_ka3.xls

Zum ersten Mal wurde die Ausgangshypothese experimentell bestätigt:Klappen, die sich durch die Rückströmung selbsttätig aufrichten, können einen plötzlichen Auftriebsverlust beim Ablösen der Strömung am Tragflügel verhindern. In Abb. 10 sind drei Polaren aufgetragen, die den Effekt dieser Klappen illustrieren. Neben dem positiven Effekt, daß der Auftriebseinbruch reduziert oder ganz verhindert wird, sieht man aber auch einen Nachteil dieser Klappen. Sie werden schon bei gesunder Umströmung des Profils, in den vorliegenden Beispielen bereits bei einem Anstellwinkel von 7-10, von den aerodynamischen Kräften leicht angehoben. Daraus resultiert eine unerwünschte Stufe im vorderen Teil der Polaren. Das verfrühte Abheben der Klappen kommt einer plötzlichen Verschlechterung der Profilgeometrie gleich, mit Auftriebsverminderung und Widerstandserhöhung als Folge.

Aus den theoretischen Überlegungen im Zusammenhang mit den Luftdurchlässigkeitsmessungen an den Vogelfedern wurde klar, daß dieser Nachteil nur mit leicht durchlässigen (porösen) Klappen beseitigt werden kann. Diese verhindern einen Druckunterschied zwischen Klappenober- und Unterseite welcher die Klappen sonst anhebt oder "aufbuckelt".

  1. Porösität

Für die folgenden Versuche wurden Klappen mit einer bestimmten Durchlässigkeit gefertigt, indem die verwendete Photokopierfolie mit zahlreichen Löchern versehen wurde. Nach einigen Versuchen stellte sich eine Lochgröße von 0,5 mm und ein Lochabstand von 3-5 mm bei den gewählten Versuchsbedingungen (Re = 130000) als geeignet heraus. Die mit dieser gelochten Folie gebauten Klappen blieben bei gesunder Strömung dem Profil anliegend (Abb. 11).,

Abbildung 11 Klappen mit Lochfolie (falk_fl1.xls)

Man sieht, daß weder Auftrieb noch Widerstand im Bereich mit gesunder Strömung nennenswert beeinflußt werden. Allerdings vermögen diese Klappen den Auftriebseinbruch nur wenig zu verhindern. Der Auftrieb steigt dann jedoch wieder stark an dieser stärkere Einbruch im Vergleich zur undurchlässigen Monoklappe rührt hauptsächlich davon , daß nun der maximale Auftriebsbeiwert des Profils wieder erreicht wird. Die Erklärung für dieses Verhalten der Klappe liegt in der Besonderheit des Versuchsaufbaus, welche bei der Interpretation der Polaren mitberücksichtigt werden muß. Das verwendete Flügelprofil hat eine Spannweite von 700 mm und einer Tiefe von 200 mm, also eine Flügelstreckung von 3,5. Bei der Umströmung eines Flügels mit solch kleiner Streckung sind dreidimensionale Effekte besonders ausgeprägt. Die unvermeidlichen Randwirbel haben einen deutlichen Einfluß auf die gemessenen aerodynamischen Kräfte. Auf Grund der Randumströmung ist der effektive Anstellwinkel der Flügelenden deutlich kleiner als im Mittelbereich des Flügels. Folglich liegt dort die Strömung noch an, wenn sie in der Flügelmitte bereits ablöst. Durch diese Dreidimensionalität des Versuchsaufbaus tritt bei überkritischem Anstellwinkel die Ablösung und damit eine Rückströmung zuerst im Flügelmittenbereich auf. Es entsteht ein sogenannter "Rückstromkeil" wie er auch beim Vogel oft zu beobachten ist. Auch die poröse Monoklappe kann sich jedoch nur komplett aufrichten, somit stört sie aber auch die Strömung in den Randbereichen des Flügels, welche noch wesentlich zum Gesamtauftrieb des Flügels beitragen könnte.

  1. Rückstromtaschen

Bei unserem Vorbild, den Vögeln löst die Strömung ebenso nie über dem ganzen Flügel gleichzeitig ab, sondern es treten lokal begrenzte Rückstromkeile auf. Von diesem werden nur die Deckfedern des betroffenen Areals erfaßt und aufgerichtet. Die Bereiche mit noch anliegender Strömung werden nicht gestört. Daß dies bei den Vögeln möglich ist, hängt zweifellos mit der Größe der einzelnen Deckfedern und deren dachziegelartigen Anordnung zusammen. So können sich kleine Taschen bilden während benachbarte Bereiche unbeeinflußt bleiben. Diese Überlegung stand hinter den folgenden Versuchen, "taschenbildende" Klappen zu finden, welche sich in dem Mittenbereich mit Rückströmung aufrichten, den Randbereich und die dort noch anliegende Strömung jedoch nicht störten.

Diese Vorgaben wurden mit zwei Klappenkonstruktionen realisiert, deren Polaren in Abb. 12 und 13 dargestellt sind Zunächst testeten wir Klappen aus dünnem Seidenstoff. Das Material entsprach hinsichtlich seiner Luftdurchlässigkeit recht gut unseren Vorstellungen. Von dem Seidenstoff versprachen wir uns eine gute Formanpassung der Klappe. Zur Versteifung wurden in Strömungsrichtung Federstahldrähte aufgeklebt.

Abbildung 12 Modellflügel mit Seidenklappe (falk_sei.xls)

Aus dem linken Diagramm wird deutlich, daß die Seidenklappen den Auftrieb bis in die Nähe des kritischen Anstellwinkels nicht beeinflussen, bei Strömungsabriß aber "richtig" reagieren, indem sie den Auftriebseinbruch praktisch vollständig verhindern. Bei größeren Anstellwinkel steigt dann der Auftrieb sogar noch leicht an. Im rechten Diagramm wird allerdings ein kleiner Nachteil der Seidenklappen deutlich, daß sich nämlich der Widerstand bei größeren Anstellwinkeln bereits im unterkritischen Bereich erhöht. Dies läßt sich darauf zurückführen, daß die Hinterkante der Klappen in diesen Situationen zu flattern beginnen. Dieses Problem dürfte bei höheren Reynoldszahlen, also auch für die Anwendung in der Praxis, noch gravierender sein. Hierzu mußte ein steiferes Klappenmaterial gefunden werden das für technische Realisierungen der Klappen geeignet war.

  1. Technische Anpassung

Die zweite Klappenkonstruktion die geforderten Ansprüche erfüllte, bestand aus der bereits getesteten gelochten Folie, wobei die Klappenfläche aus 5 cm breiten Einzelklappen zusammengesetzt war, welche sich seitlich 1 cm überlappten. Die Einzelklappen wurden seitlich geschlitzt und fächerförmig ineinander geschoben (siehe Zeichnung). Dadurch wurde ein beweglicher Verbund erreicht, der eine zur Taschenbildung erforderliche Längenänderung (in Spannweitenrichtung) der Gesamtkonfiguration ermöglicht.

Abbildung 13 Modellflügel mit Lochfolienstreifenklappe (falk_fs1.xls)

Abb. 13 zeigt, daß mit der neuen Anordnung der Auftriebseinbruch erfolgreich herausgezögert werden kann, ohne die beschriebene Widerstandserhöhung der Seidenklappe. Die Lochfolienstreifenklappen bleiben bis kurz vor erreichen des maximalen Auftriebes anliegen, und halten den Auftrieb nach dem Abreißen der Strömung noch weitere 10° auf einem fast konstanten Niveau. Der Auftriebseinbruch bei etwa 30 Anstellwinkel rührt daher, daß sich die Klappen in dieser Situation wieder anlegen, was sich auf die Klappengröße und die Anbringung zurückführen läßt. Die hier verwendeten Klappen waren aus etwas kürzer (70 mm) als die sonst verwendeten und waren mit doppelseitigem Klebeband befestigt, so daß eine kleine Rückstellkraft auf die Klappen wirkte. Dies war nötig, da die Durchlässigkeit und Anpassungsfähigkeit der Lochfolie nicht so gut waren wie die der Seide. Mit noch besser optimierten Klappensystemen, eventuell gestaffelt müßte sich der Auftrieb noch weiter auf diesem Maximalwert halten lassen.

  1. Hysterese

Die aerodynamischen Kräfte sind in den anfänglichen Versuchsreihen nur für ansteigende Anstellwinkel gemessen worden, da in diesem Stadium das Hauptaugenmerk auf die rasche Erzielung eines möglichst klaren und starken Effektes der Klappen als Rückstrombremsen gerichtet war. Die möglichst frühzeitige Abklärung (und Bekämpfung) von eventuellen Hysterese-Effekten war für den angestrebten praktischen Einsatz von Rückstromklappen wichtig. In Abb. 13 sind daher erste Meßergebnisse mit der neuen Versuchsanordnung dargestellt. Im vorliegenden Fall kann die Hysterese praktisch vernachlässigt werden, sie ist mit Klappen fast kleiner als ohne. Dies läst sich jedoch nur mit durchlässigen leicht flaternden Klappen erreichen.

  1. Fortsetzung der Klappenoptimierung

Gegenwärtig wird daran gearbeitet, die o.g. Probleme zu beseitigen. In der weiteren Ausbaustufe hoffen wir, durch eine geeignete Materialabstimmung bzw. -komposition die positiven Eigenschaften der Seidenklappen mit denen der Lochfolie verbinden zu können. Möglicherweise lassen sich durch eine, den Deckfedern ähnliche Abstufung der Biegesteifigkeit der Klappen weitere Verbesserungen erzielen.

  1. Untersuchungen zum Mechanismus
  1. Druckverteilung

Die ersten Versuchsreihen hatten noch eine stark empirische Komponente. Für eine zielgerichtete Optimierung ist jedoch wesentlich, die genaue Wirkungsweise der Klappen zu verstehen. Dazu wurden besondere Experimente vorbereitet. In der hauseigenen Werkstatt wurde ein zweiter Modellflügel mit identischer Geometrie gebaut, an dem halbseitig die Druckverteilung sowohl in Längs- als auch in Querrichtung gemessen werden konnte. Davon versprachen wir uns zum Einen differenziertere Beurteilungsmöglichkeiten der Strömungsverhältnisse an verschiedenen Stellen des Flügelprofils, zum anderen bieten die Druckmessungen eine Vergleichsmöglichkeit zu den, mit den Waagen ermittelte, Auftriebskräften.

In nebenstehender Skizze ist das Profil zur Druckmessung dargestellt. Die Geometrie dieses Flügels entspricht der des bisherigen Modells. Das Profil trägt sieben Reihen mit je 40 Druckbohrungen, welche auf die Ober- und Unterseite einer Flügelhälfte verteilt sind. Die 40 Bohrungen einer Reihe können nacheinander automatisch vermessen werden, da alle Druckbohrungen über Druckschläuche und ein zwischengeschaltetes Scanivalve mit der Baratron-Präzisionsdruckmessdose verbunden sind. Der Flügel läßt sich in den Versuchsaufbau für die Polarenmessung einbauen, so daß mit beiden Meßmethoden der Auftrieb ermittelt werden kann. (Für die Polarenmessung können die Druckschläuche seitlich vom Profil abgezogen werden.)


Abbildung 14 Flügel mit Druckmessbohrungen

Erste Messergebnisse liegen bereits vor. In Abb. 13 sind exemplarisch die Meßwerte für die mittlere Bohrungsreihe bei verschiedenen Winkeln mit und ohne Klappen dargestellt. Die oberen Kurven (mit negativen Cp-Werten) stellen die Werte für die Bohrungen auf der Profiloberseite dar.

Abbildung 15 Druckverteilung bei verschiedenen Anstellwinkeln mit und ohne Klappe (taube_r7.xls)

Die Kurven für 20° und 23° Anstellwinkel zeigen den für anliegende Strömung charakteristischen Druckverlauf. Kurz hinter der Flügelnase liegt das Maximum des Unterdrucks, der zur Flügelhinterkante hin dann kontinuierlich abnimmt. Im Vergleich dazu zeigt die Kurve für 24° Anstellwinkel, daß die Strömung zwischen 23° und 24° abgelöst haben muß, da sich der Druck bei dem höheren Anstellwinkel auf einem konstanten und niedrigem Niveau eingestellt hat. Sind auf das Profil Klappen aufgebracht (ebenso bei 24°), sieht der Druckverlauf völlig anders aus. Nun sind zwei Bereiche mit unterschiedlich hohem, aber konstantem Druck zu erkennen, welche durch die Klappe getrennt sind. Für den Bereich hinter der Klappe war dies durchaus erwartet worden, doch war das Wirbelgebiet vor der Klappe überraschend. Die bisherige Überlegung war ja, daß die Klappen lediglich ein Vordringen der Rückströmung in den vorderen Bereich mit anliegender Strömung verhindern würden.

  1. Strömungsbild

Durch Strömungsvisualisierung mittels Rauch- und Fadensonden wurden diese Wirbel genauer untersucht (Abb. 16).

Abbildung 16 Modellflügel a: mit abgelöster Strömung; b: dito. mit Klappe (stroemun.ds4)

Danach läßt sich die Wirkungsweise dieser Klappen folgendermaßen interpretieren:

Durch das Aufrichten der Klappe bildet sich vor dieser ein stationärer Wirbel aus, dessen Strömungsrichtung auf der Flügeloberseite von hinten nach vorne weist. Der Wirbel reicht vorne bis fast in den Nasenbereich. Er füllt sozusagen den Dreiecksbereich zwischen Flügeloberseite, Klappenoberseite und Umströmung aus. Die Strömung wird durch diesen Wirbel, im Vergleich zum abgelösten, nackten Profil, nach unten abgelenkt. Man kann diesen Wirbel als Profilveränderung (mit freier Strömungsgrenze) auffassen. Direkt hinter bzw. unter der Klappe liegt ein zweites Wirbelgebiet, welches einen größeren, möglicherweise aber schwächeren Wirbel einschließt. Auch bei diesem Wirbel ist die Strömung entlang der Flügeloberfläche von hinten nach vorne gerichtet. Die beiden Wirbel drehen also gleichsinnig. Beide sind stationär. Welchen Anteil jeder einzelne von ihnen an der Gesamtzirkulation des Flügels hat, muß in weiteren Untersuchungen geklärt werden. Deutlich ist jedenfalls, daß durch die Klappe der Nachlauf des Flügels positiv beeinflußt wird. Deshalb sollen auch Nachlaufmessungen in die weiteren Versuche einbezogen werden. Dazu wurde eine 3-Achsen Traversiereinrichtung aufgebaut.

Email: patone@fb10.tu-berlin.de