Profilentwurfseminar WS2013/2014 Entwurf eines Laminarprofils für ein elektrisch angetriebenes General Aviation Flugzeug

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Falko Otto
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1 Profilentwurfseminar WS2013/2014 Entwurf eines Laminarprofils für ein elektrisch angetriebenes General Aviation Flugzeug Felix Schorn

2 1 Entwurfsziele Reichweitenerhöhung durch Widerstandsminimierung Erzielung einer klar definierten Laminardelle im c a -Bereich zwischen c a =0.41 und c a =0.76 (siehe grün markierte Werte in Tabelle 1) Re-Zahl-Bereich zwischen Re = und Re = (siehe grün markierte Werte in Tabelle 1) Sicherstellung der Querruderwirksamkeit im Auslegungsbereich in Reise- und Landeanflug Erhaltung des im Reiseflug geforderten c a -Bereichs zwischen c a = 0 und c a = 1.4 Werte zur Berechnung der entwurfsrelevanten Daten in Tabelle 1: maximale Masse (=maximale konstante Reiseflugmasse bei rein akkubetriebener Flugzeugversion mit 5 Passagieren und Gepäck): kg Minimale Masse (=Masse zum Ende des Reiseflugs bei Flugzeugversion mit hybridem Akku-/Brennstoffzellen Antrieb. Entspricht also der Masse mit lediglich einem Piloten, ohne Passagiere, ohne Gepäck, und mit leergeflogenen H 2 -Tanks): kg Reiseflughöhe: 1500m Flügeltiefe innen (rechteckiger Flügelteil): 1.35m Flügeltiefe außen (Flügelspitze): 0.85m Flugphase v[ m] s h[m] Re F lügelwurzel Re F lügelspitze c a Reiseflug mit m mtow Reiseflug mit m min Reichweitenflug mit m mtow Reichweitenflug mit m min Tabelle 1: Entwurfsdatentabelle 1

3 2 Referenzprofil Abbildung 1: Dreiseitenansicht Als Profil für den Flugzeugentwurf wurde in der zugehörigen Studienarbeit das Profil NACA gewählt. Die Geschwindigkeitsverteilung und die Profilpolaren sind in den nachfolgenden Bildern dargestellt, wobei in den Polaren der für den Entwurf relevante c a -Bereich in grün gekennzeichnet ist. Es zeigt sich dass das Referenzprofil eine ausgeprägte Laminardelle mit relativ niedrigen c w -Werten aufweist. Das Flugzeug operiert in Flugzuständen zwischen der Geschwindigkeit für maximale Reichweite und der Auslegungs- Reisefluggeschwindigkeit jedoch nur im oberen Bereich der Laminardelle, weshalb Potential für ein neu entwickeltes Profil mit besseren Eigenschaften im Auslegungsbereich besteht. 2

4 Abbildung 2: NACA v-verteilung Abbildung 3: NACA Polaren 3

5 3 Eigener Entwurf: Profil v-verteilung in Reise-und Landeanflug Abbildung 4: 16-2 v-verteilung 3.2 Polaren im Reiseflug Abbildung 5: Profil 16-2, Polaren im Reiseflug 4

6 Abb. 5 zeigt deutlich, dass das entwickelte Profil eine scharf definierte Laminardelle im grün markierten Auslegungsbereich aufweist, innerhalb derer der Widerstandbeiwert wesentlich niedriger als der des Referenzprofils ist. Desweiteren wird das geforderte c a,max von 1.4 über die gesamte Spannweite im Auslegungs-Re-Zahl-Bereich erreicht. Das Vorwandern der Hinterkantenablösung auf der Profiloberseite bei hohen c a -Werten erfolgt relativ langsam und daher gutmütig. Auffallend ist der Ablösebereich an der Hinterkante bei c a -Werten unterhalb des Auslegungsbereichs. Dieser ist bei diesem Entwurf bewusst in Kauf genommen worden, denn diverse Weiterentwicklungen des Profils mit dem Ziel diese Ablösungen zu verkleinern bzw. zu vermeiden führten nur unter Inkaufnahme eines leicht erhöhten c w -Niveaus im Auslegungsbereich zum Erfolg und wurden daher letztendlich alle verworfen. 3.3 Querruder Abbildung 6: v-verteilung bei +6 Querruderausschlag 5

7 Abbildung 7: Profil 16-2 bei +6 Querruderausschlag im Reiseflug Abbildung 8: Profil 16-2 bei +6 Querruderausschlag im Landeanflug 6

8 Es wird ersichtlich, dass die Querruder sowohl im Reise- als auch im Landeanflug bei einem positiven Ausschlag von +6 wirksam sind. Sofern der Ausschlag im Auslegungsbereich stattfindet, welcher grün gekennzeichnet ist, verschiebt sich die Polare des Profils in den gelb markierten Bereich und weist auch hier eine definierte Laminardelle auf. Hinterkantenablösungen treten bei einem Querruderausschlag im Reiseflug kaum auf, wohingegen bei den kleinen Re-Zahlen im Landeanflug Hinterkantenablösungen auch im Auslegungsbereich in Kauf genommen werden müssen. Die Geschwindigkeitsverteilung zeigt in Abb. 6 die typische Tendenz zu stärkeren Saugspitzen auf der Profiloberseite bei positiven Querruderausschlägen. 3.4 Verunreinigungen Abbildung 9: Profil 16-2 sauber und bei verfrühtem Umschlag durch Verunreinigungen Abb. 9 zeigt, dass das Profil auf Verunreinigungen mit einem massiven Anstieg des Widerstandsbeiwertes und dem völligen Verschwinden einer Laminardelle reagiert. Dennoch ist positiv anzumerken, dass das geforderte c a,max von 1.4 nach wie vor erreicht wird. Auffällig sind zudem die leichten Hinterkantenablösungen, die sich bei Verunreinigungen auch im Auslegungsbereich auf Ober-und Unterseite zeigen. Im dargestellten Fall wurde die Verunreinigung durch einen erzwungenen Umschlag bei 5% der Profiltiefe auf Oberund Unterseite simuliert. Zu beachten ist bei der Bewertung der Ergebnisse, 7

9 dass der bei diesem Profil eigentlich applizierte Turbulator bei 74% auf der Profilunterseite nun nicht mehr simuliert werden kann, da der Eppler-Code (sinnvollerweise) nur einen Turbulator pro Profilseite erlaubt. Eventuell auftretende Auswirkungen des zweiten Turbulators, wie beispielsweise noch frühere Hinterkantenablösungen da die bereits turbulente Strömung auf einen zweiten Turbulator trifft, sind somit nicht berücksichtigt worden. 3.5 Geschwindigkeits- und Leistungspolare Abbildung 10: Profil 16-2, Geschwindigkeitspolare Abbildung 11: Profil 16-2, Leistungspolare 8

In grün ist der Auslegungs-Geschwindigkeitsbereich markiert, die rote Linie kennzeichnet jeweils die Geschwindigkeit der maximalen Flugdauer.

10 In grün ist der Auslegungs-Geschwindigkeitsbereich markiert, die rote Linie kennzeichnet jeweils die Geschwindigkeit der maximalen Flugdauer. Das optimale Gleitverhältnis liegt im Auslegungsbereich, was ein wesentliches Kriterium für die Tauglichkeit dieses Profils darstellt. Die Geschwindigkeit der maximalen Flugdauer liegt bei ca. 215 km außerhalb des Auslegungsbereichs, h da diese immer unterhalb der Geschwindigkeit der maximalen Reichweite liegt, welche ja die minimale Geschwindigkeit im Auslegungsbereich darstellt. Dennoch zeigt sich in Abb. 12, dass das Profil bei entsprechend kleinerer Mach-Zahl und den zugehörigen kleineren Re-Zahlen noch immer einen sehr geringen c w -Wert aufweist, welcher auch den des Referenzprofils in diesem c a -Bereich deutlich unterschreitet. In dieser Abbildung ist der erfliegbare c a - Bereich bei der Geschwindigkeit für maximale Flugdauer in gelb gekennzeichnet, der sich zwischen c a = 0.73 mit m = m min und c a = 0.90 bei m = m mtow erstreckt. Abbildung 12: Profil 16-2, Dauerflug 9

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