Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“
Vorbild Vogelflug
Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel
Dädalus und Ikarus
Vorbild „Vogel“
Kein Leitwerk
Otto Lilienthal (1848-1896)
Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges führten zum ersten erfolgreichen Flug
des Menschen
Otto Lilienthal am 16. August 1894:
Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden
Rumpf mittig !Flügel vorn !Leitwerk hinten !
Lösung der Ingenieure nach über 100 Jahren Flugzeugentwicklung
Lösung der biologischen Evolution
Seeschwalbe
Foto
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Seeschwalbe
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Dornier Do 328
Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker
Das Flugzeug ist noch immer
Gegenstand bionischer Forschung
Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung
Denn:
Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
?Energieersparnis
Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug
Randwirbel an einer F 18 Hornet
Kondensierte Feuchtigkeit in denUnterdruck-Kernen der Randwirbel
Wie entsteht Auftrieb
an einem Tragflügelprofil ?
2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung).
1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein.
Dagegen spricht:
Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb, obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !
Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?
Unterdruck
Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf der Profiloberseite die notwendige Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten Bewegungsbahn zu halten.
Zentripetalkraft
Eine Rückwärts-Erklärung
Das Strömungsteilchen möchte
sich nach dem Trägheitsgesetz
geradlinig weiterbewegenAber es folgt der
gekrümmten Profiloberfläche
Auch bei einer angestellten ebene Platte sind die Stromlinien gekrümmt und sie erzeugt deshalb Auftrieb
Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung
Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 !
Mathematische Strömung Potentialwirbel
Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb !
Geschwindigkeitsfeld
rrv 2)( Formel von Kutta/Joukowski
bvA
Ar v
FlügelspannweiteZirkulation
v
Kutta Joukowski
Superponierbarkeit von Potentialströmungen !
Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel
AnfahrwirbelZirkulation
Warum bildet sich ein Zirkulationswirbel ?
Der abschwimmende Anfahrwirbel kann allein nicht existieren. Sein Drehgeschwindigkeitsfeld würde einen unendlichen Energieinhalt besitzen. Es muss ein gleich starker Gegenwirbel entstehen, damit sich die Geschwindigkeiten im Unendlichen auslöschen. Der Gegenwirbel ist der Zirkulationswirbel .
rrv 2)(
Auftriebs-Strahl
!Randwirbel erzeugt Auftriebsstrahl
Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben !
Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand.
22 iW
22
2
2 bvAWi
Nach Ludwig Prandtl
Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.
Ludwig Prandtl (1875-1953)
Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen
A
b
Abwind
22
2
2 bvAWi
A
b
Längsauftrennung des Flügels
v
A
22
2
2 bvAW i
b
A 2
222
2 bvAW i
1 4b
A 2
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1 4b
Der Doppeldecker-Trick halbiert den RandwiderstandVorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel
22
2
221
bvAWi
20-Decker von Horatio F. Philipps (1904)
Horatio Frederick Phillips1845 -1926
A
22
2
2 bvAW i
b
A 2
b
A 2
b
222
2 bvAW i
4Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand
v
Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
Randwirbel am Normalflügel
Randwirbel am Spreizflügel
Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule
Siehe Vorlesung „Berwian“
Multideckertrick oder Wirbelspulenprinzip
Zwei Deutungen des Spreizflügeleffekts
Nur am Flügelende, wo es notwendig ist,
wird der Multideckertrick verwendet
Studenten-Praktikum am Storchenflügel
Nachevolution im Windkanal (Neobionik)
Neue Generation
ca- cw- Messung
Flexible Bleistreifen
Nachkommen realisieren
Eltern eingeben
Nachkommen bewerten 2
3
w
acc
Generation
0
3
6
9
1215
18
21
24
27Evolution eines Spreizflügels im Windkanal
23
w
acc
Max
Spreizflügelversus
Normalflügel
W iders tandsbe iw ert
Auftr
iebs
beiw
ert
0 ,1 0,2 0,300
0,4
0,8
1,2
S treckung = 3 ,8
cw
c a
0188,0min
3
2
a
wcc
0216,0min
3
2
a
wcc
Diplomarbeit: Michael Stache
Was gewinnt der Vogel
durch aufgespreizte Flügelenden ?
Evolutions-Wettkampf
? ?Zeit:Zeit:
1000
m
a b
Für den Vogel ohne Spreizung 0216,0min
3
2
a
w
cc
Wir erhalten aus dem Polardiagramm
Für den Vogel mit Spreizung 0188,0min
3
2
a
w
cc
m/s 23,1sink v
m/s 15,1sink v
Formel für die Sinkgeschwindigkeit
3
2sink
2a
w
cc
FGgv
G = 0,8 kg F = 0,2 m2
g = 9,81 m/s2 = 1,1 kg/m3
Daten für Bussard
Evolutions- Wettkampf
13 min 33 sec 14 min 30 secZeit:Zeit:
1000
m
a b
Vorstufe des Spreizflügels des Vogels
Winglets
Boeing C-17 A Globemaster III
Winglets am
Segelflugzeug
Doppelwinglets MD 11 (Boeing)
Auf dem Weg
Dreifach-Winglets (Antonov)
zum Vogelflügel
Doppelwinglets: Arava IAI 202 (1977)
Auf dem Weg zum Vogelflügel
Aus dem Internet
a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero
b) "Winggrid" eines Kondors
c) Motorsegler Stemme S10
Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der Wirbelzöpfe
d)
Winggrids
Auf dem Weg zum
Vogelflügel
Lang gezogene Wirbelspule
Flugmodell mit Multiwinglets
Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug
Foto
: Mic
hael
Sta
che
32
34
36
38
40
42
80 90 100 110 120 130 140
Geschwindigkeit [km/h]
Gle
itzah
l
Rundbögen (GPS)
Multiwinglets (GPS)
Gle
itzah
l42
40
38
36
32
34
80 90 100 110 120 130 140G eschw indigkeit [km /h ]
DGPS-M essung: Eva Sunkomat R undbögenM u ltiw ing le ts
Flugmessungen an einem Segelflugzeug
Vom gespreizten
Vogelflügel
Schlaufenflügel
zum
Patent von Louis B. Gratzer
Flügelunterseite wird zur Oberseite (Möbius-Band)
Die abnehmende Flügeltiefe muss man sich in kleinen Stufen realisiert vorstellen
zunehmende Wirbelaufspaltung
Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe
Schlaufenflügel (spiroid wing)
Flugzeugabsturz
Die wahrscheinliche Unglücksursache lag in dem Unvermögen der Flugbe-satzung, die Aktivierung des Stick Shaker * als unmittelbare Warnung für den Übergang in den überzogenen Flugzustand zu erkennen und die Unfähigkeit, die entsprechenden Verfahren zur Behebung dieses Flugzustandes durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die Warnung für die Überschreitung der maximalen Geschwindigkeit zur Verwirrung der Besatzung geführt.
Absturz durch Strömungsablösung
Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995
Birgenair-Flug 301 – Absturz am 9. Februar 1996 bei Puerto Plata in den Atlantik
Aus dem Untersuchungsbericht
* Stick Shaker = Vibrieren des Steuerknüppels
Birgenair-Flug 301Air-France-Flug 447ca
Auf
trieb
sbei
wer
t
Bereich Langsamflug
Anstellwinkel
Ablösung
c
?
a
Auf
trieb
beiw
ert
Anstellwinkel
Bereich Langsamflug
Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug
Air-Asia-Flug QZ8501 ?
? ? ?
Braun-Skua
in der Antarktis
Druckverteilung an einem Tragflügelprofil
Höchster Unterdruck (Sog)
Wie kommt es zu einer Strömungsablösung ?
-
Entstehung einer Ablösung
Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durchReibung abgebremst. Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog ankämpfenmuss, kommt am Punkt A zum Stillstand. A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt.
A
B
Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö-mungsteilchen (Bernoulli !) dem Sog des Unterdrucks.
Wichtig !!!!!!!
A
B
Hier ist bei einem Auftrieb erzeugenden Tragflügel die Strömung immer turbulent, d. h. mit Mikrowirbeln durchsetzt. Dadurch wird Energie von der Außenströmung an die Wand transportiert. Bei einer laminare Grenzschichtströmung würde es ein Strömungsteilchen niemals von B nach A schaffen !
… erschwerend kommt hinzu, dass Wirbel nichtlinear miteinander wechselwirken können. Das hat mitunter paradoxe Effekte. So erzeugt eine etwas turbulente Strömung mitunter sogar weniger Widerstand als eine glatte, laminare. Genau deswegen haben manche Oberflächen Dellen - Golfbälle beispielsweise. Die kleinen Vertiefungen verwirbeln geringfügig die vorbeiströmende Luft, verringern dadurch den Luftwiderstand, und der Ball fliegt weiter. Aus Spektrum der Wissenschaft, Heft 1, 2013: „Große Wirbel um die Turbulenz“.
Das ist Unsinn ! -
In einer mit Mikrowirbeln durchsetzten wandnahen Strömungsschicht erhalten durch Reibung abge-bremste Strömungsteilchen, die sich stroman zum Druckminimum bewegen würden, stromab gerich-tete Impulsstöße. Die Ablösung der Strömung wird hinausgezögert.
Richtig ist:
Wanderung der Ablösung
zum Druckminimum
Zusammenbruch des Auftriebs
Die wandnahen Strömungsteilchen (Grenzschichtteilchen) folgen dem Druckgradienten und strömen zur Stelle des größten Unterdrucks!
Bremsung der Ablösung
durch eine Deckfeder
!
Deckfeder =
Rückschlagventil
Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt.
Braun-Skua
? ? ?Rückstromtaschen
Foto
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Braun-SkuaAnordnung der Deckfedern
Dreifache Rückstrombremsung
Braun-Skua: Ablösekontrolle
Foto
: Ing
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Der Deckfeder-Effekt0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
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Anste llw inkel100
020 30 40o o o o o
Flügel m it künstlichen Deckfedern
R e = 130 000
a
Rückstrombremsen an einem Flugmodell
Janosch Huser
Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?
Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche (Alulae)“
These: Randwirbel, der als Grenzschichtzaun fungiert
Foto
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Profilnase - Skua
Foto
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Angriff - Hochziehende Skua
Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“
Foto
: Ing
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Kantengeräusch
TurbulenzStrömung
Geräuschdämpfung Eulenflügel
Flauschige undporöse Oberfläche
Vorderkantenkamm
HintererkantenfransungBionischer Bio-Ventilator ???
Aber wie es wirklich funktioniert bleibt unklar !
Endewww.bionik.tu-berlin.de