Aerodynamik - Tendenzen

Aerodynamik (von altgriechisch ἀήρ aer, Luft, und δύναµις dynamis, Kraft) ist Teil der Fluiddynamik und beschreibt das Verhalten von Körpern in kompressiblen Fluiden (zum Beispiel Luft). Die Aerodynamik beschreibt die Kräfte, die es beispielsweise Flugzeugen ermöglichen, zu fliegen oder Segelschiffen, sich mit Hilfe des Windes durchs Wasser zu bewegen. Viele weitere Bereiche der Technik, wie zum Beispiel das Bauingenieurwesen oder der Fahrzeugbau, müssen sich mit der Aerodynamik auseinandersetzen.

Theoretische Modelle

Das umfassendste Modell sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Es handelt sich hierbei um ein System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung, die ein newtonsches Fluid komplett beschreiben. Insbesondere sind auch Turbulenz und die hydrodynamische Grenzschicht enthalten.

Ein einfacheres Modell sind die Euler-Gleichungen, die aufgrund der vernachlässigten Reibung die Grenzschicht nicht abbilden und auch keine Turbulenz enthalten, womit beispielsweise ein Strömungsabriss nicht über dieses Modell simuliert werden kann. Dafür sind wesentlich gröbere Gitter geeignet, um die Gleichungen sinnvoll zu lösen. Für diejenigen Teile der Strömung, in denen die Grenzschicht keine wesentliche Rolle spielt, sind die Euler-Gleichungen dagegen sehr gut geeignet.

Die Potentialgleichungen schließlich sind vor allem nützlich, wenn grobe Vorhersagen gemacht werden sollen. Bei ihnen wird die Entropie als konstant vorausgesetzt, was bedeutet dass keine starken Schockwellen auftreten können, da an diesen die Entropie sogar unstetig ist.

Tendenzen

Die Aerodynamik untersucht, vereinfacht ausgedrückt, die Luftkräfte, die infolge der Wechselwirkung der Luft mit Flugkörpern entstehen.
Sie bedient sich heute moderner mathematischer Verfahren und kostspieliger physikalischer Untersuchungen sowie Flugerprobungen. Der große Geschwindigkeitsbereich, in dem moderne Flugkörper fliegen, Fortschritte im Triebwerksbau, in der Regelungstechnik und in der Verwendung neuer Konstruktionsmaterialien werfen stets neue Fragen aerodynamischer Natur auf, so dass Forschungen auf aerodynamischem Gebiet am ehesten Aufschluss über die künftige Entwicklung der Flugzeuge geben können. Es werden nur veröffentlichte Ergebnisse diskutiert.

Aerodynamische Forschungen

Die aerodynamischen Forschungen sind vor allem darauf gerichtet, Hochauftriebssysteme mit geringem Widerstand zu schaffen, die aktive Steuerung des Fluges zu realisieren und die Manövrierfähigkeit (besonders bei Jagdflugzeugen) zu verbessern. Zu den Forschungsobjekten gehören: Flugzeuge mit superkritischen und im Flug veränderlichen Flügelprofilen, der Strake- oder Hybridflügel, Flugzeuge, bei denen mit energetischen Methoden der Auftrieb geschaffen bzw. beeinflusst wird, die integrierte Verbindung des Flügels mit dem Rumpf, Flugzeuge mit Einsatz der Grenzschichtsteuerung und gleichmäßiger Verteilung der Belastung über die Spannweite sowie die Anwendung von aktiven Flugsteuersystemen. Flugzeuge mit superkritischem Flügelprofilen sollen eine Reisegeschwindigkeit erreichen, die näher an der Schallgeschwindigkeit liegt als die ihrer Vorgänger mit gewöhnlichem Tragflügelprofil.
Eine überkritische Umströmung liegt vor, wenn bei schallnahen Fluggeschwindigkeiten am Tragflügel oder Rumpf lokale Zonen mit Überschallumströmung entstehen.
Bei gewöhnlichem Tragflügelprofil entsteht schon bei etwa 0,7 bis 0,75 M an der Profilober- und Unterseite ein großer Bereich mit Überschallumströmung.

Im Bild ist der Bereich der Überschallströmung an der Profiloberseite bis Verdichtungsstoß [ a) beim gewöhnlichen Profil; b) beim superkritischen Profil] zum örtlichen Verdichtungsstoß dargestellt.

Der Verdichtungsstoß entzieht der Strömung kinetische Energie und vergrößert folglich den Widerstand am Profil. Durch die Druckerhöhung hinter dem Verdichtungsstoß kann sich die Grenzschicht mit ihrer geringen Strömungsgeschwindigkeit ablösen. Die Folgen sind eine zusätzliche Vergrößerung des Widerstandes, starkes Schütteln des Flügels sowie Verluste an Stabilität und Steuerbarkeit. Die weniger gekrümmte Oberfläche des superkritischen Flügels mindert die Intensität des Verdichtungsstoßes, führt zu einer günstigen Druckverteilung und damit zu einem geringeren Widerstand. Der Auftriebsverlust des superkritischen Profils infolge der geringeren Krümmung der Oberseite wird durch die Vergrößerung der Profilkrümmung (sie ist die mittlere Linie zwischen Ober- und Unterseite) im hinteren Teil des Profils ausgeglichen.

Boeing YC-14
Der Typ entstand im Rahmen des AMST-Programmes der US-Luftstreitkräfte.
Die geforderten STOL-Eigenschaften realisierte Boeing duch Ausnutzung des Coandă-Effektes.

Weil superkritische Profile dicker als herkömmliche sind und weil die Pfeilung des Tragflügels vermindert werden kann, wird die Masse des Tragflügels kleiner, ohne dass sich die aerodynamische Qualität verschlechtert. Die Verringerung der Leermasse des Flugzeuge ermöglicht eine höhere Nutzlast oder einen größeren Kraftstoffvorrat. Die ersten Flugzeuge der USA, bei denen Flügel mit superkritischem Profil eingebaut wurden, waren die Militärtransportflugzeuge YC-14 und YC-15.

Zum Nachweis der erwarteten Verbesserungen bei der Anwendung des superkritischen Flügels wurde ein Flugzeug mit guten flugtechnischen Parametern genutzt. Ein solches Flugzeug ist die FB-111, die deshalb ausgewählt wurde, weil sie einen Flügel veränderlicher Geometrie hat. In einem der Berichte wurde ausgewiesen, dass durch den superkritischen Flügel die kritische M-Zahl um 15% angehoben wurde. Bei einem Lastvielfachen 3,5 wurde eine Senkung des Widerstandes und Erhöhung der verfügbaren Auftriebskraft vor Erreichen der Schüttelgrenze gemessen. Das Hauptziel bei der Anwendung superkritischer Profile ist die Vergrößerung der Reisegeschwindigkeit.

Forschungen in Windkanälen haben gezeigt, dass Pfeilflügel mit superkritischem Profil die Möglichkeit bieten, die Reisegeschwindigkeit sehr nahe an die Schallgeschwindigkeit zu legen. Außerdem verbessert die Nutzung superkritischer Profile die Charakteristik der Flugzeuge bei der Annäherung an den Schüttelbereich und die Manövrierfähigkeit. Bei sorgfältiger Auslegung des Flügels mit einem solchen Profil lässt sich die M-Zahl des Beginns des Schüttelns bei gegebenem Auftriebsbeiwert bzw. der maximale Auftriebsbeiwert bei gegebener M-Zahl des Schüttelbeginns erhöhen.

Vorteile haben superkritische Flügel auch beim Flug mit geringen Geschwindigkeiten. Es zeigte sich, dass der maximale Auftriebsbeiwert bei einem Schulflugzeug mit modifiziertem Profil ohne Ausschlag der Landeklappe größer war als beim Ausgangsflügel mit ausgeschlagener Landeklappe. Das ergibt sich durch den großen Nasenradius der Profilnase des superkritischen Flügels. Wird das superkritische Profil zur Vergrößerung der Profildicke eingesetzt, so ergeben sich neue Möglichkeiten zur Auftriebssteigerung. Im Flügel können Luftkanäle untergebracht werden, die für das Ausblasen von Luft (Strahlstrom, Strahlklappe) zur Erhöhung des Auftriebsbeiwertes erforderlich sind; außerdem wird der Anbau von aerodynamischen Hilfsmitteln, wie Klappen und Vorflügeln, erleichtert. Selbst wenn die Profildicke beibehalten wird, schafft das superkritische Profil günstigere Möglichkeiten zum Anbau von Landeklappen und anderen Steuerflächen.

Flugzeuge mit veränderlichem Flügelprofil

F-18 mit Hybridflügel; ein Ergebnis der Forschungen an der YF-17

Eine große Krümmung bei geringen Unterschallgeschwindigkeiten, ein superkritisches Profil im Bereich schallnaher Geschwindigkeit und ein fast symmetrisches Profil bei Überschallgeschwindigkeiten — so sollte der Bereich der Profilformen sein. In allen Fällen soll dabei die Profilkontur völlig glatt (ununterbrochen) bleiben. Gegenwärtig setzt man zur Veränderung der Krümmung des Profils im Flug vor allem abklappbare Profilnasen (Nasenklappen), Vorflügel und herkömmliche Landeklappen ein. Diese aerodynamischen Hilfsmittel, die die Umströmung des Profils verändern, verbessern bei verschiedenen Flugzuständen die Umströmung und verringern den Widerstand.
Bei dem von den USA erarbeiteten Programm prüfte man die Möglichkeit, das Profil entsprechend dem Flugzustand bzw. der eingenommenen Fluggeschwindigkeit stufenlos zu ändern. Für die Flugversuche setzte man eine speziell dafür umgerüstete F-111 ein. Das Programm sah zwei Etappen vor. Die erste Etappe umfasste Flugerprobungen mit einem Flügel mittlerer Streckung mit einem Profil, bei welchem entsprechend dem Flugzustand die Profilnase und das Profilhinterteil verändert wurden. In der zweiten Etappe untersuchte man einen Flügel großer Streckung mit veränderlichem Profil, bei welchem die Profilnase einen vervollkommneten Aufbau aufwies. Aus diesen Untersuchungen erwartet man folgende Verbesserungen der flugtechnischen Eigenschaften:
für taktischen Flugzeuge — Vergrößerung der Flugweite bei großen Gerätegeschwindigkeiten in Meereshöhe und Verbesserung der Manövrierfähigkeit sowie Senkung des erforderlichen Schubs um 10 bis 20% beim Überschallflug in großen Höhen;
für strategische Flugzeuge — Vergrößerung der Flugweite um 8 bis 20%, der Reiseflughöhe um 10 bis 30% und die Senkung des Kraftstoffverbrauchs um 8 bis 20%.

Wie die internationale Presse mitteilt, arbeiten einige Firmen an der Schaffung eines veränderlichen Profils. Darunter befand sich eine Modelluntersuchung im Windkanal an einem biegsamen Flügel mit einem Dickenverhältnis von 10%. Zur Profiländerung wurden hydraulische Antriebe eingesetzt, die den Profilradius, den Winkel des Profilvorderteils und die Lage der Profilunterseite verstellen sowie die Krümmung und die Auslenkung des Profilhinterteils bewirken. Die Untersuchungen wurden bei geringer Unterschallgeschwindigkeit und im Transschallbereich durchgeführt.
Sie sollen Möglichkeiten gezeigt haben, die Profilgeometrie in Abhängigkeit vom Flugzustand automatisch zu ändern und so einen minimalen Widerstand, eine maximale aerodynamische Qualität und ein maximales Lastvielfaches zu erhalten sowie dem Schütteln und dem Strömungsabriß entgegenzuwirken. Dabei untersuchte man sowohl herkömmliche als auch superkritische Profile. Es zeigte sich, dass zufriedenstellende Ergebnisse vor allem im Bereich M = 0,75 zu erreichen sind.
Veränderungen der Profilkrümmung in Abhängigkeit vom Anstellwinkel und der M-Zahl wurden insbesondere am leichten Versuchs Jagdflugzeug Northrop YF-17 durchgeführt. Gesteuert von einem Bordrechner, wurden die Flügelnase und die Landeklappe ausgefahren. In Verbindung damit wurden eine Reihe von weiteren Vorschlägen und Möglichkeiten, vor allem zur Verbesserung der aerodynamischen- und Manövriereigenschaften der Jagdflugzeuge, aufgezeigt. Der Hybridflügel besteht aus einer Flügelwurzel mit großer Pfeilung und einem Basisflügel kleiner Pfeilung. Die Fläche des mit dem Rumpf verbundenen Flügelwurzelteils ist im Vergleich zum Basisflügel relativ klein. Sie erzeugt jedoch einen bedeutenden Anstieg des Auftriebsbeiwertes dadurch, dass sie einen Wirbel erzeugt, der sowohl auf die Flügelwurzel als auch auf den Basisflügel einwirkt; zusätzlich dämpft dieser Wirbel das Abreißen der Strömung über die gesamte Spannweite. Ein solcher Flügel verbessert die Quersteuerbarkeit bei großen Anstellwinkeln und verringert die Neutralpunktwanderung beim Übergang von Unter- und Überschallgeschwindigkeit. Wegen der geringen Neutralpunktwanderung ist wenig Aufwand zur Herstellung des Längsgleichgewichts erforderlich. Einen Hybridflügel hat z.B. das Jagdflugzeug F-18 der Fliegerkräfte der USA-Seestreitkräfte.

Flugzeuge mit energetischen Methoden zur Schaffung aerodynamischer Kräfte

Einige amerikanische Firmen haben untersucht, wie sich die Flugeigenschaften verbessern lassen, indem Gasstrahlen quer zur Flügelspannweite ausgeblasen werden. Wenn bei mittleren bis großen Anstellwinkeln Gasstrahlen über die Flügeloberseite dünner Pfeil- und Deltaflügel geblasen werden, bilden sich stabile Wirbel, die den Auftrieb zusätzlich vergrößern. Jedoch werden an Pfeilflügeln mit einer Pfeilung von 30 bis 45° und einer verhältnismäßig großen Flügelstreckung die von der Profilvorderkante ausgehenden Wirbel schon bei sehr kleinen Anstellwinkeln unterbrochen. Da aber gerade Flugzeuge mit dieser Konfiguration für Manöver im Unterschallgeschwindigkeitsbereich vorgesehen sind, wird auch das Ausblasen diskreter Strahlen aus Düsen längs der Spannweite des Flügels parallel zur Vorderkante erforscht.
Das Zusammenwirken der Strahlen mit dem den Flügel umströmenden Luftstrom führt zum Formieren einer stabilen Wirbelbewegung. Die in den USA durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass es für ein hypothetisches Flugzeug mit Deltaflügel und einer Pfeilung von 45° günstig ist, ein Querstrahlausblasen längs der Spannweite an der Profil Vorderkante vorzusehen. In diesem Fall verbessern sich die aerodynamischen Eigenschaften, darunter die Manövrierfähigkeit, bedeutend. Das Verfahren erfordert die Lösung von Problemen, die mit der Luftentnahme vom Triebwerk zusammenhängen. Forschungen an einer großen Serie von Flügeln haben nachgewiesen, dass das Querstrahlausblasen die aerodynamischen Kennwerte bei Start und Landung und bei Manövern im Unterschallbereich verbessert. Das Querstrahlausblasen vergrößert den maximalen Auftriebsbeiwert bei großen Anstellwinkeln, verbessert die Polare und erweitert den Bereich des linearen Verlaufs des Längsmoments. Dadurch werden Manöver mit großen Anstellwinkeln und Lastvielfachen möglich. Die aerodynamischen Eigenschaften der Flügel mit Querstrahlausblasen bei vollständig entwickeltem Wirbel scheinen hinreichend zuverlässig erarbeitet. [Vergleiche dazu Grenzschicht (hier aber längs)]

Rockwell B-1

Außerdem führte man Forschungen in der gleichen Richtung am Höhenleitwerk von Flugzeugen der Bauart "Ente" durch und erhielt ebenfalls günstige Resultate. Spezialisten schätzen ein, dass das Querstrahlblasen zur Verbesserung der aerodynamischen und Manövriereigenschaften der Flugzeuge, insbesondere bei Jagdflugzeugen, sich als günstig erweist und Perspektive hat.
Die integrierte Verbindung des Flügels mit dem Rumpf. Um die inneren Räume zu vergrößern, den Auftrieb zu vergrößern und den Widerstand zu senken, wird eine fließende Verbindung des Flügels mit dem Rumpf (integrierte Verbindung) realisiert, zum Beispiel bei den Flugzeugen F-16 und B-1. Bei dieser Bauart bildet der Rumpf schon die Flügelwurzel, so dass die umströmte Oberfläche und folglich die Reibung kleiner werden. Bei Nutzung der integrierten Verbindung kann nach Auffassung der Spezialisten eine bedeutende Erhöhung der aerodynamischen Qualität erreicht werden

Der aerodynamische Widerstand steht immer im Mittelpunkt des Interesses der Wissenschaftler, Aerodynamiker und Konstrukteure, weil er beim Reiseflug den Kraftstoffverbrauch wesentlich beeinflusst. Bei modernen Großrumpfflugzeugen sind die Bestandteile des Widerstands bei Reiseflug wie folgt: 50% Reibungswiderstand, 42% induzierter Widerstand und 8% Druckwiderstand. Die Senkung des Reibungswiderstandes ist überaus schwierig. Könnte eine vollständig laminare Umströmung der Grenzschicht beibehalten werden, so könnte der Reibungswiderstand um 90% gesenkt werden. Eine sehr glatte Oberfläche und die gezielte Beeinflussung der Druckverteilung längs der Strömung kann den Übergang von laminarer zu turbulenter Grenzschicht stark hinauszögern und eine laminare Umströmung großer Flügelbereiche schaffen. Umfangreiche Forschungen zur Schaffung von Laminarprofilen Ende der 30er, Anfang der 40er Jahre haben nachgewiesen, dass eine laminare Umströmung über der gesamten Profiltiefe nur mit künstlichen Mitteln geschaffen werden kann. Das Absaugen einer bestimmten Luftmenge aus der Grenzschicht durch sehr dünne Schlitze in der Beplankung des Flügels wurde während der Flugerprobungen am Flugzeug X-21 in den USA erprobt.