Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“ Vorbild Vogelflug Evolution...

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

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2 bvAW i

1 4b

A 2

222

2 bvAW i

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

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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

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Braun-SkuaAnordnung der Deckfedern

Dreifache Rückstrombremsung

Braun-Skua: Ablösekontrolle

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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

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Rückstrombremsen an einem Flugmodell

Janosch Huser

Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?

Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche (Alulae)“

These: Randwirbel, der als Grenzschichtzaun fungiert

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Profilnase - Skua

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Angriff - Hochziehende Skua

Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“

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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