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