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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung Bionik I Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel Weiterverwendung nur unter.

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1 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 Rumpf ! Flügel vorn ! Leitwerk hinten ! Lösung der Ingenieure nach 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

6 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden ? Energieersparnis

7 Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

8 Randwirbel an einer F 18 Hornet

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. Zentrifugalkraft Zentripetalkraft

12 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

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

14 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.

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

16 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

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

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

24 Generation Evolution eines Spreizflügels im Windkanal

25 Spreizflügel versus Normalflügel 0188,0 min 3 2 a w c c 0216,0 min 3 2 a w c c Diplomarbeit: Michael Stache

26 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

27 Evolutions- Wettkampf ? ?

28 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

29 Evolutions- Wettkampf 13 min 33 sec14 min 30 sec

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

31 Winglets am Segelflugzeug

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

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

34 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

35 Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug Foto: Michael Stache

36 Flugmessungen an einem Segelflugzeug

37 Vom gespreizten Vogelflügel Schlaufenflügel zum Louis B. Gratzer

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 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. 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. Wichtig !!!!!!!

46 Wanderung der Ablösung zum Druckminimum Zusammenbruch des Auftriebs

47 Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder !

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

49 Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

50 Dreifache Rückstrombremsung Braun-Skua: Ablösekontrolle

51 Der Deckfeder-Effekt

52 Rückstrombremsen an einem Flugmodell Janosch Huser

53 Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ? Aerodynamischer Trick Daumenfittiche

54 Profilnase - Skua

55 Angriff - Hochziehende Skua Aerodynamischer Trick Nasenklappen

56 Ende


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