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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“
Vorbild Vogelflug
Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Otto Lilienthal am 16. August 1894:
Sein Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden
Rumpf !Flügel vorn !Leitwerk hinten !
Lösung der Ingenieure nach 100 Jahren Flugzeugentwicklung
Lösung der biologischen Evolution
Seeschwalbe
Fot
o: In
go R
eche
nber
g
Fot
o: In
go R
eche
nber
g
Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker
Das Flugzeug ist noch immer
Gegenstand bionischer Forschung
Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug
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 !
Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?
Unterdruck
Das Strömungsteilchen wird durch Unterdruck auf der Profiloberseite am zentrifugalen Wegfliegen gehindert.
Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung
Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 !
Mathematische Strömung Potentialwirbel
Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb !
Geschwindigkeitsfeld
rrv
2)(
Formel von Kutta/Joukowsky
bvA
Ar v
FlügelspannweiteZirkulation
v
Anfahrwirbel und gebundener Wirbel (Zirkulation) 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 .
Auftriebs-Strahl
Randwirbel = Auftriebsstrahl !
Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand.
22 iW
22
2
2 bv
AWi
Nach Ludwig Prandtl
Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.
A
b
Abwind
22
2
2 bv
AWi
A
b
Längsauftrennung des Flügels
A
22
2
2 bv
AW i
b
A 2
22
2
2 bv
AW i
1 4
b
A 2
22
2
2 bv
AW i
1 4
b
Der Doppeldecker-Trick halbiert den RandwiderstandVorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel
A
22
2
2 bv
AW i
b
A 2
b
A 2
b
22
2
2 bv
AW i
4
Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand
Randwirbel am Normalflügel
Randwirbel am Spreizflügel
Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule
Doppeldeckertrick oder
Wirbelspulenprinzip
Zwei Deutungen des
Spreizflügeleffekts
Nachevolution im Windkanal (Neobionik)
Neue Generation
ca- cw- Messung
Flexible Bleistreifen
Nachkommen realisieren
Eltern eingeben
Nachkommen bewerten 2
3
w
a
cc
Generation
0
3
6
9
1215
18
21
24
27
Evolution eines Spreizflügels im Windkanal
Spreizflügel
versus
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
w
cc
0216,0min
3
2
a
w
cc
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
c
c
Wir erhalten aus dem Polardiagramm
Für den Vogel mit Spreizung 0188,0min
3
2
a
w
c
c
m/s 23,1sink v
m/s 15,1sink v
Formel für die Sinkgeschwindigkeit
3
2
sink2
a
w
c
cFGgv
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
Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug
Fot
o: M
icha
el S
tach
e
32
34
36
38
40
42
80 90 100 110 120 130 140
Geschwindigkeit [km/h]
Gle
itza
hl
Rundbögen (GPS)
Multiwinglets (GPS)
Gle
itza
hl42
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
Vorstufe des Spreizflügels des Vogels
Winglets
Boeing C-17 A Globemaster III
Winglets am
Segelflugzeug
Vom gespreizten
Vogelflügel
Schlaufenflügel
zum
Louis B. Gratzer
zunehmende Wirbelaufspaltung
Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe
Doppelwinglet:
Auf dem Weg zum Vogelflügel
Multidecker von Horatio F. Philipps (1904)
Studenten-Praktikum am Storchenflügel
Pilotenfehler löste Birgenair-Unglück aus
Berlin (dpa). Ein Pilotenfehler soll den Ab-sturz der türkischen Birgenair-Maschine am 6. Februar vor der Dominikanischen Repu-blik ausgelöst haben. Wie der Fernsehsender Sat.1 am Sonntag mitteilte, komme der ab-schließende Unfallbericht der dominikani-schen Luftaufsichtsbehörde zu dem Schluss, dass die Piloten auf zwei unterschiedlichen Warnungen nach dem Start nicht entspre-chend reagiert hätten. Eine falsche Ge-schwindigkeitsanzeige soll sie verwirrt ha-ben. Zwar seien die Piloten genügend aus-gebildet gewesen. Aber sie hätten nicht über ein „ausreichendes Training“ verfügt.
Absturz durch Strömungsablösung
Forschungsziel für ein absturzsicheres Flugzeug
c
Strömungsablösungund Flugzeugabsturz
a c
?
a
Ideales Profilfür die F lugsicherheit
? ? ?
Braun-Skua
in der Antarktis
Entstehung einer Ablösung
Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt,wird durch Reibung abgebremst. Zusätzlich wird es vom Unterdruck vorn ander Profiloberseite angesaugt. Das Strömungsteilchen kommt am Punkt A zum Still-stand. Die Stelle 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. Ist die wandnahe Strömung mit klei-nen Wirbeln durchsetzt (Turbulenz), kann durch den Eintrag energiereicher Strömungsteil-chen aus der wandfernen Region die Ablösung hinausgezögert werden. Wird die Anstellung des Flügels weiter erhöht, tritt auch bei turbulenter Grenzschichtströmung Ablösung auf.
Wanderung der Ablösung
zum Druckminimum
Bremsung der Ablösung
durch eine Deckfeder
!
Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt.
Braun-Skua
? ? ?Rückstromtaschen
Dreifache Rückstrombremsung
Braun-Skua: Ablösekontrolle
Der Deckfeder-Effekt0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
cA
uftr
iebs
beiw
ert
A nste llw inkel
1000
20 30 40o o o o o
Flügel m it künstlichen Deckfedern
R e = 130 000
a
Braun-Skua
Anordnung der Deckfedern
Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?
Daumenfittiche
Profilnase - Skua
Angriff - Hochziehende Skua
Nasenklappen
Ende