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

Dädalus und Ikarus Vorbild „Vogel“

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

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

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

? Energieersparnis Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

Randwirbel an einer F 18 Hornet

Wie entsteht Auftrieb an einem Tragflügelprofil ?

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 !

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 ?

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

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

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

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

Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand. Nach Ludwig Prandtl Ludwig Prandtl (1875-1953) Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.

Längsauftrennung des Flügels

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

Multidecker von Horatio F. Philipps (1904)

Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand

Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

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

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

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

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

Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

? ? Evolutions- Wettkampf

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

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

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

Winglets am Segelflugzeug

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

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

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

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

Flugmessungen an einem Segelflugzeug

Vom gespreizten Vogelflügel Louis B. Gratzer zum Schlaufenflügel

Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

Schlaufenflügel (spiroid wing)

Studenten-Praktikum am Storchenflügel

Flugzeugabsturz

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

Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug

Braun-Skua in der Antarktis ? ? ?

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.

Zusammenbruch des Auftriebs Wanderung der Ablösung zum Druckminimum

! Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder

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

Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

Dreifache Rückstrombremsung Braun-Skua: Ablösekontrolle

Der Deckfeder-Effekt

Rückstrombremsen an einem Flugmodell Janosch Huser Rückstrombremsen an einem Flugmodell

Aerodynamischer Trick „Daumenfittiche“ Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?

Profilnase - Skua

Aerodynamischer Trick „Nasenklappen“ Angriff - Hochziehende Skua

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