Möglichkeiten der Leistungssteigerungen
Auf dem Symposium über Aerodynamik und Segelflugzeugbau bei der DLR in Stuttgart wurden ausführliche theoretische Betrachtungen angestellt über die Zukunft im Segelflugzeugbau. Schwerpunkte waren dabei sowohl neue Materialien und deren Verarbeitungsweisen, als auch Fragen der Leistungssteigerungen in der Zukunft. Die Referate der Leiter und Mitarbeiter der Institute, die sich vor allem mit Aerodynamik und neuen Profilen befassen, waren dabei besonders interessant.Die Situation ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungen moderner Segelflugzeuge extrem ähnlich geworden sind. Ein deutlicher Fortschritt in Gleitzahl und geringstem Sinken ist auch bei völlig neu entwickelten Maschinen nicht von vornherein garantiert. Das heißt, dass für den Hersteller die sehr teure Neuentwicklung eines Flugzeugtyps mit einem hohen Risiko behaftet ist, kann er doch durchaus nicht sicher sein, dass er damit bestehende und am Markt erhältliche Typen übertrifft. Der "Leistungswettbewerb" der Flugzeugbauer hat sich deshalb zunehmend auf Themen wie Bequemlichkeit, Sicherheit, Motorisierung usw. verlagert.Ein Innovationsschub wie er z. Bsp. durch die Kunststoff-Technologie passiert ist, zeichnet sich derzeit nicht ab.Was ist in fernerer Zukunft dennoch zu erwarten und was ist heute schon möglich?
Grenzschichtabsaugung:
Ein revolutionäres Konzept ist zweifellos die "Grenzschichtabsaugung":
Dazu erhält der gesamte Flügel etwa 30 cm vor der Hinterkante an der Oberseite einen Längsschlitz von ca. 1,5 mm Breite ohne Unterbrechung. Durch diesen Schlitz wird während des Fluges gleichmäßig über die gesamte Spannweite durch eine Turbine im Rumpf Luft abgesaugt, also die Grenzschicht, die an dieser Stelle turbulent zu werden beginnt.
That`s all! Und eine Wölbklappe brauchen diese Profile auch nicht, weil sie in allen Geschwindigkeiten im total laminaren Bereich arbeiten.
Gleitzahlen bis zu 1:100 sollen theoretisch bei großen Spannweiten erzielbar sein; Gleitzahlen von 1:80 sollen sich auch praktisch ohne weiteres erreichen lassen. Ein solches Flugzeug würde nicht mehr kreisen sondern fast ausschließlich im Delphinstil fliegen mit entsprechenden Auswirkungen auf die erreichbare Geschwindigkeit.
Aber ein paar kleine Probleme sind vorher noch zu lösen:
Durch den Längsschlitz wird die Kastenkonstruktion des Flügels zerstört. Auch im Inneren des Flügels ist eine durchgängige Verbindung von Ober- und Unterseite nicht mehr möglich, da die abgesaugte Luft möglichst ohne Verwirbelung zum Rumpf hin abfließen muss. Das letzte Drittel des Tragflügels hängt dann nur an der Schale der Flügel-Unterseite und soll doch so fest sein, dass man den Flügel an der Hinterkante tragen kann.
Zentral im Rumpf muss eine Turbine arbeiten wie ein Staubsauger. Zwei Turbinen in jeder Flügelhälfte gehen nicht. Bei Ausfall einer Turbine würde der Gleitwinkel der betroffenen Flügelhälfte auf etwa 1:25 zurückgehen und sich das Flugzeug sanft auf den Rücken legen! Die Turbine für ein 25-Meter Flugzeug braucht etwa 500 Watt Dauerleistung!
Die elektrische Leistung kann nur daher kommen, dass große Teile des Flügels mit Solarzellen belegt werden. Technisch ist das möglich aber sehr, sehr teuer und auch empfindlich.
Was passiert bei einem Flug in die Abenddämmerung oder unter schwere Wolken? Eine Pufferbatterie kann bei der geforderten Leistung nicht lange durchhalten!
Schließlich: Ist ein solches Flugzeug eigentlich noch ein Segelflugzeug im Sinne der Wettbewerbe? Immerhin benötigt es dauernd eine fremde Energiequelle - die Sonne nämlich.
Grenzschichtabsaugung ist zweifellos ein faszinierendes Konzept. Vielleicht wird in einigen Jahren auch mal ein Prototyp entstehen - als Technologie-Träger massiv gefördert. Bis ein Segelflugzeughersteller mit einem solchen Flugzeug auf den Markt kommt, wird aber mit Sicherheit noch sehr viel Zeit vergehen!
Winglets:
Dagegen gibt es eine andere Möglichkeit, die Flugleistungen spürbar zu verbessern, die bei allen neuen Flugzeugen genutzt wird: Winglets!
Der schon erwähnte Loek Boermans von der Technischen Universität in Delft sagte dazu sinngemäß, dass Winglets die mit Abstand ökonomischste Art seien, die Leistungen auch älterer Flugzeuge deutlich zu verbessern.
Ein erheblicher Teil des gesamten Widerstands eines Segelflugzeugs im Fluge entsteht durch den induzierten Widerstand:
Die Luftströmung um das Flügelprofil herum ist nur bei unendlicher Spannweite so, wie anhand der Polare errechnet. Zum Außenflügel hin fließt die Luft vom Überdruck auf der Unterseite zum Unterdruck auf der Oberseite zunehmend um den Randbogen herum, verwirbelt zu den bekannten Wirbelschleppen und trägt nichts mehr zum Auftrieb bei. Große Spannweiten und hohe Fluggeschwindigkeiten vermindern diesen Effekt entscheidend. So kam es zu der Entwicklung der "Super-Orchideen", während gerade bei Flugzeugen der Standardklasse der induzierte Widerstand einen entscheidenden Anteil hat.
Winglets reduzieren nun den induzierten Widerstand wie eine Spannweiten-Verlängerung in dem Maße, wie das Winglet hoch ist. Da am Randbogen sowieso kaum noch Auftrieb entsteht, kann das Winglet auch ruhig senkrecht stehen, so dass das Flugzeug damit nicht aus der Wettbewerbsklasse herausfällt und auch das Handling am Boden sich kaum verschlechtert.
Das Winglet muss um so größer sein, je kleiner die Spannweite des Flugzeugs ist, weil bei kleiner Spannweite der Anteil des induzierten Widerstand wächst. Das geht andererseits natürlich nicht unbegrenzt, denn im Schnellflug ist ein Winglet nicht mehr so notwendig, weil dabei der Anteil des induzierten Widerstands wieder abnimmt . Im Schnellflug aber erzeugt das Winglet selbst schädlichen Widerstand, wenn es zu groß ist. Es muss also für jede Spannweite und jedes Profil ein optimaler Kompromiss für die Größe gefunden werden.
Fazit: Wenn für Ihr Flugzeug Winglets vom Hersteller verfügbar sind, sollten Sie sie in jedem Fall verwenden. Eine effektivere Leistungssteigerung bei überschaubaren Kosten gibt es derzeit nicht. Wenn Sie keine Winglets haben, prüfen Sie, ob Sie sich welche nachrüsten lassen können. Bei Wettbewerben sind Winglets ein "Muss".
... und das Kreisen in der Thermik geht mit Winglets auch besser - wie auf Schienen!
Eine Nachrüstung von Winglets für DG-400 Maschinen ist dagegen leider nicht möglich.
Das zusätzliche Gewicht am Ende der Flügel kann zum Flattern des gesamten Systems und zu gefährlichen Flugzuständen führen. Es soll wohl einigen Luftfahrttechnischen Betriebe geben, die Winglets für die DG-400 anbieten.
Sie sollten nach unseren Erkenntnissen davon auf jeden Fall Abstand nehmen!
Wölbklappen:
Dazu ist nicht viel Neues zu sagen, und nachrüsten kann man sie auch nicht.
Interessant ist noch, dass im allgemeinen ein Profil für Wölbklappen speziell ausgelegt sein muss und dann in Stellung Null-Grad eine schlechtere Wirkung hat als ein Profil, welches nicht für Wölbklappen entwickelt wurde. Wenn man versucht, für beide Flugzeugtypen mit einem Profil auszukommen, muss man sehr genaue Untersuchungen im Windkanal durchführen, sonst handelt man sich leicht nur einen mehr oder weniger schlechten Kompromiss ein.
Ein reines Wölbklappenflugzeug ist natürlich sowohl im Schnellflug (bei stark negativer Klappenstellung) als auch im langsamen Kreisen (mit positiv eingestellten Klappen) einem Flugzeug ohne Klappen überlegen.
- W. Dirks -
Neuere Entwicklungen zu diesem Thema
Am Rande einer Weltmeisterschaft hatten wir Gelegenheit zu einem längeren Gespräch mit Loek Boermans und diskutierten einen ganzen Abend über alle möglichen aerodynamischen Themen.
Grenzschichtabsaugung:
Derzeit wird an einem geänderten Konzept gearbeitet, in dem nicht ein kompletter Schlitz in die Flügeloberseite gefräst werden muss, sondern per Laser eine Vielzahl winziger Löcher gebohrt werden - 4 Stück pro Quadratmilimeter, also alle 0,5 mm ein Loch von 0,05 mm Durchmesser. Bei einer DG-800 wären dazu etwa 40 Millionen Löcher notwendig, die mit einer Laserkanone o ä. gebohrt werden müssten.
Durch diese Löcher wird dann die Absaugung vorgenommen. Auch verwendet man derzeit ein etwas "normaleres" Profil, welches bei Ausfall der Absaugung immer noch eine "fliegbare" Leistung bringt. So kann man mit zwei Turbinen in den Flügeln arbeiten, da bei Ausfall einer Seite nicht sofort Rollen geflogen werden. Die Ausblasung erfolgt über die Randbögen aber auch nur so, dass der Luftstrom langsamer das Flugzeug verlässt als es selbst fliegt. Eine Wirkung wie ein Propeller-Luftstrom tritt also keinesfalls ein, so dass man nicht sagen kann, dass das Flugzeug von einer Fremdenergie angetrieben wird.
Dennoch wäre nach heutige Definition ein solches Flugzeug bei Wettbewerben nicht zugelassen!
Das ganze Konzept ist immer noch voll in der Entwicklung und auch für den innovativsten Segelflugzeug-Hersteller noch nicht anwendbar. Stellen Sie sich nur mal die Kosten des Bohrens vor! Und was passiert, wenn jemand den Flügel mit Hartwachs poliert? Auch durch Verschmutzung werden die Löcher nicht lange offen bleiben.
Also auf absehbare Zeit geht das nicht!
Schade - es wäre doch mal eine Herausforderung für uns gewesen.
Winglets:
Hier wiederholte Loek Boermans im wesentlichen die bekannten Ausführungen: Ein Flugzeug der Standardklasse ohne Winglets ist für ihn nicht sinnvoll vorstellbar. Allerdings gibt es auf dem Markt eine ganze Reihe von Winglet-Konzepten, die er so nicht für richtig hält. Es genüge eben nicht, den Flügel einfach zu verlängern und dann nach oben zu biegen. Es müsse schon ein spezielles Winglet-Profil entwickelt werden.
Winglets für eine Spannweite von 18 m seien sicher noch deutlich positiv spürbar und er freute sich über unseren offensichtlichen Erfolg bei der DG-808.
Winglets bei mehr als 20 m Spannweite - z. Bsp. bei den "Super-Orchideen") - hielt Loek Boermans für überflüssig und mehr schädlich als nützlich. Positiv sei dabei nur, dass die wirksame V-Form des Flügels vergrößert werde, was dem Kurbelverhalten zugute käme. Gleichzeit entstehe aber ein höherer Widerstand, in dem die Länge der Flügelvorderkante zunähme, ohne dass die wirksame Flügelfläche ansteige.
Interessant noch die Meinung zu einem doppelt geknickten Flügel (Ventus): So ein Flugzeug fliegt sehr schön. Wenn der Flügel aber bei einer Landung Bodenkontakt bekomme, liege der ganze Außenflügel auf, was sehr leicht zu einer unerwünschten Drehlandung ("Ringelpietz") führt.
(Deshalb hat die DG-1000 auch einen solch starken Knick, dass der Außenflügel wieder vom Boden frei kommt. Und das Flächenrad vergrößert zusätzlich den Bodenabstand.)
Wie gesagt: Das ist unkommentiert die Meinung eines der bekanntesten Aerodynamiker im Bereich des Segelfluges.
Im übrigen war der reichlich genossene Bordeaux-Wein sehr gut!
- friedel weber -
Aufbau für die Profil-Widerstandsmessung an einer DG-800B
Rumpf-Flächen-Interferenz
Wir verwenden heute überall Laminar-Profile, die natürlich auch von der Luft laminar angeströmt werden müssen. Welche Folgen es hat, wenn die Luftströmung nicht laminar ist, sieht man bei einem durch Mücken verschmutzten Flügel.Nun ist aber im Bereich des Rumpf-Flächen-Übergangs bis etwa 1 Meter rechts und links des Rumpfes die Strömung durchaus nicht laminar sondern durch die Rumpfumströmung längst mehr oder weniger turbulent. Das in Rumpfnähe verwendete Laminarprofil ist also schlicht falsch eingesetzt für diesen Einsatzzweck und Ablösungen der Strömung führen zu erhöhtem Widerstand.Aus diesem Grund verwendet man neuerdings in Rumpfnähe ein Turbulenzprofil, welches auch noch mit einem anderen Einstellwinkel angeströmt wird und lässt dieses auf dem ersten Meter des Flügels in das eigentliche Laminarprofil übergehen.Eine Wirkung hat diese Profiländerung vor allem im Langsamflug, wenn es sonst vor allem am kurveninneren Flügel zu Ablösungen kommt.Allerdings soll auch ein Nachteil nicht verschwiegen werden - wie ja in der Aerodynamik fast alle Maßnahmen immer Kompromisse sind:Ein solchermassen modifiziertes Profil "warnt" kaum noch mehr beim Strömungsabriss. Diese Warnung kommt dadurch zustande, dass Ablösungen am Innenflügel als Turbulenzen auf das Höhenleitwerk treffen und dieses zum Schütteln bringen, so dass es der Pilot am Knüppel bemerkt.Eine solche Warnung ist bei allen modernen Profilen sowieso nur noch schwach ausgeprägt. Bei einem modifizierten Profil wird der Effekt noch geringer. Ein solches Flugzeug wird also im extremen Langsamflug im Sackflug fliegen, ohne dass es womöglich der Pilot bemerkt.Ein besonders harmloses Abreißverhalten des Profils ist also für eine solche Modifikation zwingende Voraussetzung.Der Bauaufwand in der Produktion für die Maßnahme ist schlicht Null - es muss ja nur die Urform anders aussehen. Allerdings muss das Programm für die große CNC-Fräse, die die Urmodelle herstellt, entsprechend geändert werden, was eine Menge Rechenaufwand bedeutet. Eine Änderung bestehender Formen ist praktisch nicht möglich.Die Ergebnisse dieser Maßnahme sind nicht "dramatisch". Genaue Werte der Verbesserung kann man logischerweise nicht messen sondern nur errechnen.Aber zu einer Optimierung gehören eben auch kleine Schritte.Unseres Wissens nach haben diese Profilmodifikation bereits die ASW 27, ASW 28, DG-1000 und der Discus 2.Für alle Flugzeuge der 18-Meter-Klasse kamen diese Erkenntnisse der Aerodynamik zu spät.
Auch wenn heutzutage alle Segelflugzeuge gleich auszusehen scheinen: Seit den Tagen des "Vampyr" auf der Wasserkuppe 1922 hat sich schon manches geändert!
"The Beauty and the Beast"
Aerodynamik gestern und heute:DG-800B vor Antonov AN 2
Gleitzahlangaben bei Segelflugzeugen
Es ist sehr schwierig und eigentlich sogar unmöglich, die Flugleistungen eines Segelflugzeugmusters mit einer einzigen Zahl zu beschreiben - der maximalen Gleitzahl. Das ist der Grund, weshalb ein Hersteller schon seit Jahren keine Gleitzahlen mehr angibt.
Auch wir sind der Meinung, dass eine einzige Zahl sehr wenig Aussagekraft hat und machen uns lieber in Vergleichsflügen ein Bild von den Leistungsunterschieden. Dabei kann man schließlich eine ganze Polare durchfliegen, erhält zwar keine absoluten Werte aber einen schönen Vergleich zum Referenzflugzeug.
Nur wird die Angabe der maximalen Gleitzahl von unseren Kunden gewünscht und so sollen dazu hier ein paar Anmerkungen gemacht werden:
Im allgemeinen wird eine errechnete Polare und maximale Gleitzahl veröffentlicht. Die Berechnung basiert auf den im Windkanal gemessenen Profil Polaren. Zu den Profilwiderständen von Flügel und Leitwerken werden der induzierte Widerstand, der Rumpfwiderstand und Interferenzwiderstände hinzugezählt. Leider sind diese Widerstände nicht alle bekannt und auch die Windkanalmessungen stimmen nicht immer mit der Wirklichkeit überein.
Der Konstrukteur wird deshalb Rechnungen und Messungen früherer Flugzeuge vergleichen und daraus einen Korrekturwiderstand abschätzen.
Für Sie ist es wichtig, die Gleitzahlangaben richtig zu interpretieren. Vorausgesetzt, dass der Korrekturfaktor nicht "marketinggemäß verkleinert" wurde, erreicht ein Flugzeug den angegebenen Wert unter absolut optimalen Bedingungen - als da sind:
- korrekt abgeklebt
- mit maximaler Flächenbelastung
- mit optimaler Schwerpunktlage
- bestens poliert ohne jeden Mückeneinfluss
- in völlig ruhiger Luft ohne Turbulenzen (nicht in Wolkennähe!)
- mit sauber geschlossenen Fahrwerks-, Motor- und Bremsklappen
- ohne korrigierende Ruderbewegungen
- unter Bedingungen der ISA-Standard-Athmosphäre
Die Bestimmung von Polaren im Flugversuch ist sehr schwierig und mit vielen Fehlern behaftet. So gibt es vermessene Polaren von ein und demselben Flugzeug aus verschieden Jahren, die deutliche Unterschiede aufweisen. Insbesondere die beste Gleitzahl ändert sich deutlich bei kleinsten Meßfehlern. So ergibt ein Unterschied von nur 1cm/Sekunde in der Sinkgeschwindigkeit bereits einen Gleitzahlunterschied von ca. einem Punkt. Meßfehler im Vergleichsflug können aber deutlich größer sein.
Sie sehen, dass normalerweise die angegebene Gleitzahl ein theoretischer Wert sein wird, den Sie zur Endanflugrechnung nicht in Ihren Rechner eingeben können. In der Praxis sollten Sie mit einem Wert etwa 4 - 8% unter dem theoretischen Bestwert rechnen können.
- friedel weber & w-dirks -