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

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“ Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel

2 Dädalus und Ikarus Vorbild „Vogel“ Kein Leitwerk

3 Otto Lilienthal ( ) Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges führten zum ersten erfolgreichen Flug des Menschen Otto Lilienthal am 16. August 1894: Schlagflügelapparatmit aufgespreizten Flügelenden

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

5 Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker Das Flugzeug ist noch immer Gegenstand bionischer Forschung Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung Denn:

6 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden ? Energieersparnis

7 Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

8 Randwirbel an einer F 18 Hornet Kondensierte Feuchtigkeit in den Unterdruck-Kernen der Randwirbel

9 Wie entsteht Auftrieb an einem Tragflügelprofil ?

10 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 !

11 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 weiterbewegen Aber es folgt der gekrümmten Profiloberfläche

12 Auch bei einer angestellten ebene Platte sind die Stromlinien gekrümmt und sie erzeugt deshalb Auftrieb

13 Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 ! Mathematische Strömung Potentialwirbel Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb ! Geschwindigkeitsfeld Formel von Kutta/Joukowski A r v  Flügelspannweite Zirkulation v Kutta Joukowski Superponierbarkeit von Potentialströmungen !

14 Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel Anfahrwirbel Zirkulation

15 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 . 

16 ! Randwirbel erzeugt Auftriebsstrahl Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben !

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

18 Längsauftrennung des Flügels v

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

20 20-Decker von Horatio F. Philipps (1904) Horatio Frederick Phillips

21 Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand v

22 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

23 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

24 Studenten-Praktikum am Storchenflügel

25 Nachevolution im Windkanal (Neobionik) Neue Generation c a - c w - Messung Flexible Bleistreifen Nachkommen realisieren Eltern eingeben Nachkommen bewerten

26 Generation Evolution eines Spreizflügels im Windkanal Max

27 Spreizflügel versus Normalflügel 0188,0 min 3 2          a w c c 0216,0 min 3 2          a w c c Diplomarbeit: Michael Stache

28 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

29 Evolutions- Wettkampf ? ?

30 Für den Vogel ohne Spreizung Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel mit Spreizung Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F = 0,2 m 2 g = 9,81 m/s 2   = 1,1 kg/m 3 Daten für Bussard

31 Evolutions- Wettkampf 13 min 33 sec14 min 30 sec

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

33 Winglets am Segelflugzeug

34 Doppelwinglets MD 11 (Boeing) Auf dem Weg Dreifach-Winglets (Antonov) zum Vogelflügel

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

36 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

37 Flugmodell mit Multiwinglets

38 Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug Foto: Michael Stache

39 Flugmessungen an einem Segelflugzeug

40 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

41 Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

42 Schlaufenflügel (spiroid wing)

43 Flugzeugabsturz

44 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

45 Birgenair-Flug 301 Air-France-Flug 447 c a Auftriebsbeiwert Bereich Langsamflug Anstellwinkel Ablösung c ? a Auftriebbeiwert Anstellwinkel Bereich Langsamflug Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug Air-Asia-Flug QZ8501 ?

46 ? ? ? Braun-Skua in der Antarktis

47 Druckverteilung an einem Tragflügelprofil Höchster Unterdruck (Sog) Wie kommt es zu einer Strömungsablösung ? -

48 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. A B Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö- mungsteilchen (Bernoulli !) dem Sog des Unterdrucks. Wichtig !!!!!!!

49 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 !

50 … 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:

51 Wanderung der Ablösung zum Druckminimum Zusammenbruch des Auftriebs Die wandnahen Strömungsteilchen (Grenzschichtteilchen) folgen dem Druckgradienten und strömen zur Stelle des größten Unterdrucks!

52 Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder ! Deckfeder = Rückschlagventil

53 Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag- ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt. Braun-Skua ? ? ? Rückstromtaschen Foto: Ingo Rechenberg

54 Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

55 Dreifache Rückstrombremsung Braun-Skua: Ablösekontrolle Foto: Ingo Rechenberg

56 Der Deckfeder-Effekt

57 Rückstrombremsen an einem Flugmodell Janosch Huser

58 Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ? Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche (Alulae)“ These: Randwirbel, der als Grenzschichtzaun fungiert Foto: Ingo Rechenberg

59 Profilnase - Skua Foto: Ingo Rechenberg

60 Angriff - Hochziehende Skua Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“ Foto: Ingo Rechenberg

61 Kantengeräusch Turbulenz Strömung Geräuschdämpfung Eulenflügel Flauschige und poröse Oberfläche Vorderkantenkamm Hintererkantenfransung Bionischer Bio-Ventilator ??? Aber wie es wirklich funktioniert bleibt unklar !

62 Ende


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