PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“ Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Dädalus und Ikarus Vorbild „Vogel“

3 Otto Lilienthal am 16. August 1894:
Sein Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden

4 Lösung der biologischen Evolution
Seeschwalbe Seeschwalbe Rumpf ! Flügel vorn ! Leitwerk hinten ! Foto: Ingo Rechenberg Foto: Ingo Rechenberg Dornier Do 328 Lösung der biologischen Evolution Lösung der Ingenieure nach 100 Jahren Flugzeugentwicklung

5 Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker
Das Flugzeug ist noch immer Gegenstand bionischer Forschung

6 ? Energieersparnis Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

7 Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

8 Randwirbel an einer F 18 Hornet

9 Wie entsteht Auftrieb an einem Tragflügelprofil ?

10 1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein.
2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung). Dagegen spricht: Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb, obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !

11 Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?
Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf der Profiloberseite die notwendige Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten Bewegungsbahn zu halten. Zentripetalkraft Zentrifugalkraft Unterdruck Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?

12 Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung
v j v Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 ! Mathematische Strömung Potentialwirbel Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb ! Geschwindigkeitsfeld Kutta Joukowski Formel von Kutta/Joukowski Flügelspannweite Zirkulation

13 Zirkulation Anfahrwirbel Anfahrwirbel und gebundener Wirbel (Zirkulation) an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel

14 G 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 G . G

15 ! Randwirbel erzeugt Auftriebsstrahl Auftriebs- Strahl
Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben ! Auftriebs- Strahl ! erzeugt Auftriebsstrahl Randwirbel

16 Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen
Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand. Nach Ludwig Prandtl Ludwig Prandtl ( ) Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.

17 Längsauftrennung des Flügels

18 Der Doppeldecker-Trick halbiert den Randwiderstand
Vorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel

19 Multidecker von Horatio F. Philipps (1904)

20 Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand

21 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

22 Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule
Randwirbel am Normalflügel Doppeldeckertrick oder Wirbelspulenprinzip Zwei Deutungen des Spreizflügeleffekts Randwirbel am Spreizflügel

23 Nachkommen realisieren
ca- cw- Messung Flexible Bleistreifen Neue Generation Eltern eingeben Nachkommen bewerten Nachevolution im Windkanal (Neobionik)

24 Evolution eines Spreizflügels im Windkanal
Generation 3 6 9 15 12 18 21 24 Evolution eines Spreizflügels im Windkanal 27

25 Spreizflügel versus Normalflügel
Diplomarbeit: Michael Stache Spreizflügel versus Normalflügel 0216 , min 3 2 = ÷ ø ö ç è æ a w c 0188 , min 3 2 = ÷ ø ö ç è æ a w c

26 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

27 ? ? Evolutions- Wettkampf

28 Formel für die Sinkgeschwindigkeit
Daten für Bussard Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F = 0,2 m2 g = 9,81 m/s2 r = 1,1 kg/m3 Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel ohne Spreizung Für den Vogel mit Spreizung

29 Evolutions- Wettkampf
13 min 33 sec 14 min 30 sec Evolutions- Wettkampf

30 Vorstufe des Spreizflügels des Vogels
Boeing C-17 A Globemaster III Winglets Vorstufe des Spreizflügels des Vogels

31 Winglets am Segelflugzeug

32 Auf dem Weg zum Vogelflügel
Doppelwinglets: Arava IAI 202 (1977)

33 Auf dem Weg zum Vogelflügel
Doppelwinglets: MD 11 (Boeing)

34 Auf dem Weg zum Vogelflügel
Winggrids a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero b) "Winggrid" eines Kondors c) Motorsegler Stemme S10 Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der Wirbelzöpfe d) Aus dem Internet

35 Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug
Foto: Michael Stache Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug

36 Flugmessungen an einem Segelflugzeug

37 Vom gespreizten Vogelflügel Louis B. Gratzer zum Schlaufenflügel

38 Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

39 Schlaufenflügel (spiroid wing)

40 Studenten-Praktikum am Storchenflügel

41 Flugzeugabsturz

42 Pilotenfehler löste Birgenair-Unglück aus
Berlin (dpa). Ein Pilotenfehler soll den Ab-sturz der türkischen Birgenair-Maschine am 6. Februar 1996 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 entsprechend reagiert hätten. Eine falsche Geschwindig-keitsanzeige soll sie verwirrt haben. Zwar seien die Piloten genügend ausgebildet gewesen. Aber sie hätten nicht über ein „ausreichendes Training“ verfügt. Absturz durch Strömungsablösung

43 Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug

44 Braun-Skua in der Antarktis ? ? ?

45 Wichtig !!!!!!! B A Entstehung einer Ablösung
Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durch Reibung abgebremst. Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog ankämpfen muss, kommt am Punkt A zum Stillstand. A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt. 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.

46 Zusammenbruch des Auftriebs
Wanderung der Ablösung zum Druckminimum

47 ! Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder

48 Braun-Skua Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt. Rückstromtaschen ? ? ?

49 Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

50 Dreifache Rückstrombremsung
Braun-Skua: Ablösekontrolle

51 Der Deckfeder-Effekt

52 Rückstrombremsen an einem Flugmodell
Janosch Huser Rückstrombremsen an einem Flugmodell

53 Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche“
Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?

54 Profilnase - Skua

55 Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“
Angriff - Hochziehende Skua

56 Ende