Zur Aerodynamik des Lilienthal-Gleiters

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Angela Lang
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2 Zur Aerodynamik des Lilienthal-Gleiters Prof. Dr. Andreas Dillmann Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Göttingen

3 Folie 3 Beteiligte am Lilienthal-Projekt des DLR Prof. Rolf Henke: Idee und Finanzierung Lilienthal-Museum Anklam: Bau des Gleiters nach Originalplänen Curt-Engelhorn-Zentrum Archäometrie: Analyse des Original-Bespannstoffs Historische Weberei Egelkraut: Rekonstruktion des Bespannstoffs Deutsch-Niederländische Windkanäle (DNW): Windkanal LLF DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik: Projektdurchführung

4 Folie Jahre Lilienthal: Offene Fragen Welches Wissen über Aerodynamik und Flugmechanik hatte Lilienthal? Wie gut war die aerodynamische Qualität seines Gleiters (Polare)? Wie weit konnte er damit fliegen (Gleitzahl)? Wie schnell ist er geflogen? War der Gleiter aerodynamisch stabil? Welche Flugeigenschaften hatte der Gleiter? War er ein sicheres Fluggerät? Was war die mögliche Absturzursache?

5 Folie 5 Lilienthals Normal-Segelapparat

6 Folie 6 Lilienthal-Gleiter im aerodynamischen Gleichgewicht Widerstand Flugbahn Auftrieb Luftkraft Längsachse Anstellwinkel α Gewicht Zerlegung der Luftkraft (= Gewicht) in Auftrieb und Widerstand!

7 Folie 7 Das Polardiagramm nach Lilienthal: die Lehrbuchform Auftrieb Anstellwinkel α abgerissene Flügelströmung gesunde Flügelströmung Widerstand

8 Folie 8 Die Lilienthalpolare des Lilienthalgleiters Auftrieb Widerstand Messung: DLR / DNW

9 Folie 9 Die Gleitzahl des Lilienthal-Gleiters Widerstand Auftrieb Gleithöhe Gleitstrecke Gleitzahl E = Gleitstrecke Gleithöhe = Auftrieb Widerstand

10 Folie 10 Die Gleitzahl des Lilienthal-Gleiters Gleitzahl E Bestes Gleiten: E = 3.6 Auftrieb Messung: DLR / DNW

11 Folie 11 Aus zeitgenössischen Berichten: 250 m Gleitstrecke beim Sprung vom Gollenberg in Stölln 70 m 250 m Der Gollenberg zur Zeit Lilienthals Gleitzahl E = 250 m 70 m = 3.6 d.h. sehr gute Übereinstimmung mit den Windkanalmessungen! Bildquelle: Prof. Dr. Wolfgang Nitsche, TU Berlin

12 Folie 12 Wie schnell flog Lilienthal im Punkt des besten Gleitens? Auftrieb (N) Gewicht von Gleiter + Pilot 14 m/s Fluggeschwindigkeit (m/s) Angabe O. Lilienthal: Stillstand des Gleiters über dem Boden bei Gegenwind von 10 m/s J. Anderson, "History of Aerodynamics" (1998) : "Lilienthals velocity measurements were too low by a factor of " (Grund: Fehlerhafte Eichung des Selbstbau-Anemometers von Lilienthal) Daher: Angabe Lilienthals entspricht einer Windgeschwindigkeit von ca. 14 m/s (ca. 50 km/h)!

13 Folie 13 Die Stabilität des Lilienthal-Gleiters Aerodynamische Stabilität: rückdrehendes Moment bei kleinen Drehbewegungen um Längs- Hoch- und Querachse Querachse Längsachse Hochachse

14 Folie 14 Stabilität um die Längsachse Stabilisierung durch V-Stellung der Flügel (wie bei modernen Flugzeugen) Auftrieb seitliche Anströmung rückdrehendes Moment

15 Folie 15 Stabilität um Hoch- und Querachse Stabilisierung durch Windfahneneffekt von Seiten- und Höhenleitwerk (wie bei modernen Flugzeugen) Seitenleitwerk Höhenleitwerk Für Flugfähigkeit besonders wichtig: Stabilität um die Querachse (Längsstabilität)

16 Folie 16 Die Längsstabilität des Lilienthalgleiters Längsstabiles Flugzeug: rückdrehendes Nickmoment bei kleinen Störungen der Gleichgewichtsfluglage Auftrieb Gewicht Gleichgewichtsfluglage, kein Nickmoment α nimmt ab, Nickmoment positiv, Nase geht hoch α nimmt zu, Nickmoment negativ, Nase geht herunter Lehrbuchform der Nickmomentenkurve: fallende Gerade (Verlauf bestimmt durch Aerodynamik und Schwerpunktlage) Gleichgewicht

17 Folie 17 Messung der Schwerpunktverlagerung mit Testperson im Lilienthal-Gleiter Beine vorne Beine hinten Hocke

18 Folie 18 Die Nickmomentenkurve des Lilienthalgleiters Messung: DLR / DNW Gleichgewicht Auftriebsmaximum Stabilitätsgrenze Beine hinten Bestes Gleiten (α = 2 ) Hocke Beine vorne Resultat: Gleiter flugstabil bis zum Auftriebsmaximum (α 16 )!

19 Folie 19 Betriebsgrenzen und mögliche Unfallursache Sicherer Anstellwinkelbereich: α = 16 α = +2 (bestes Gleiten) α = +16 (Stabilitätsverlust) Gefahr: Einflug in eine thermische Ablösung ("Sonnenbö") Wind Warmluftblase mögliches Unfallszenario: Einflug in Aufwindzone Anheben der Nase über 16 Aufbäumen des Gleiters, Fahrtverlust Absturz durch Strömungsabriss

20 Folie 20 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 0

21 Folie 21 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 1

22 Folie 22 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 2 Bestes Gleiten

23 Folie 23 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 3

24 Folie 24 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 4

25 Folie 25 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 5

26 Folie 26 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 6

27 Folie 27 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 7

28 Folie 28 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 8

29 Folie 29 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 9

30 Folie 30 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 10

31 Folie 31 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 11

32 Folie 32 Numerische Strömungssimulation des Lilienthal-Gleiters (DLR TAU Code) α = 12

33 Folie 33 DLR-Lilienthal-Projekt: Bisherige Erkenntnisse Lilienthal verfügte über das notwendige Wissen zum Bau eines vollwertigen Flugzeugs Der Gleiter war eine aerodynamisch solide Konstruktion Die Gleitzahl betrug 3.6 Die Fluggeschwindigkeit beim besten Gleiten betrug ca. 14 m/s (50 km/h) Der Gleiter war um alle drei Achsen aerodynamisch stabil Flugeigenschaften: gutmütig, ohne aerodynamische Tücken Keine Hinweise auf Konstruktionsfehler Aber: beschränkte Manövrierfähigkeit, d.h. sicherer Betrieb nur in ruhiger Luft

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