DE102008039061A1

DE102008039061A1 - Trennvorrichtung zur Vermeidung der Kontamination der Grenzschicht auf gepfeilten Tragflächen eines Flugkörpers durch den Rumpf oder ähnliche Körper

Info

Publication number: DE102008039061A1
Application number: DE102008039061A
Authority: DE
Inventors: Johann Valentin Krier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: DE102008039061B4

Abstract

Im Flugzeugbau, Militärflugkörperbau, Raketenbau und in der Raumfahrt werden Flugkörper verwendet, die im Unter-, Über- und Transschall fliegen und die aus mehreren an einem rumpfähnlichen Körper (Rumpf) befestigten gepfeilten Tragflächen (Flügel) bestehen. Durch die Reibung am Rumpf entsteht eine Grenzschicht, die bis zur Flügelwurzel hochgradig turbulent wird. Diese Grenzschicht kontaminiert über die Flügelwurzel und die Vorderkante des Flügels auch die Grenzschicht auf der Gesamtfläche der Tragflächen und führt dadurch zu hohen Reibungsverlusten, das turbulente Grenzschichten wesentlich höhere Reibungsverluste als laminare Grenzschichten aufweisen. Die Art der Grenzschichtströmung auf dem Flügel wird unter anderem durch die Geometrie der Vorderkante und die Flugparameter mittels einer spezifischen Reynoldszahl bestimmt. Durch den Einsatz dieser Vorrichtung kann die Grenzschicht auf der Tragfläche über einen wesentlich größeren Bereich der zuständigen Reynoldszahl laminar gehalten werden, als es ohne Vorrichtung möglich wäre. Dadurch kann man den Treibstoffverbrauch, den Schadstoffausstoß und die Lärmemission senken bzw. die Reichweite erhöhen. Die Lösung besteht darin, die turbulente Rumpfgrenzschicht an der Flügelwurzel durch eine spitzwinklige Trennkante zu teilen und sie über die Ober- und Unterseite der Vorrichtung in Windrichtung zu leiten. Der Startpunkt für eine neue, nicht kontaminierte Grenzschicht wird auf der Vorderkante, unmittelbar neben der ...

Description

Einführung, Stand der Technik
Die Grenzschicht und deren Aufbau und Verteilung über der Oberfläche eines Flugkörpers haben eine wesentliche Bedeutung im zivilen und militärischen Flugzeug-, Fluglenkkörper und Raketenbau. Auch der Bau von Windturbinen und anderen Turbomaschinen ist davon betroffen.
An Flugkörpern mit einem Rumpf und mehreren gepfeilten Tragflächen (Flügel oder Leitwerke) wird die Grenzschichtströmung an den Tragflächen von der Grenzschichtströmung am Rumpf beeinflusst. Die Grenzschichtströmung am Rumpf erreicht in der Regel bis zur Tragflächenwurzel einen stark turbulenten Charakter, deshalb spricht man von einer „Kontaminierung” der Strömung an der Tragfläche durch den Rumpf.
Im Flugzeug- und Raketenbau sind alle Hersteller interessiert und bemüht, eine Lösung für die Vermeidung oder Beseitigung der Kontamination der Tragflügel-Grenzschicht durch die turbulente Rumpfgrenzschicht zu finden. Solche Lösungen können „aktiv” oder „passiv” sein. Die aktiven Lösungen benutzen zusätzliche Energiequellen, z. B. für die Absaugung der kontaminierten Grenzschicht oder zweigen von den vorhandenen Energiequellen des Flugkörpers Energie ab. Einige passive Lösungen versuchen, die Grenzschichtströmung über Transitionssteuerung mittels Kleinwirbelerzeugung durch künstliche Rauhigkeit für bestimmte Druckgradienten zu laminarisieren.
Bekannt ist die Verwendung von Grenzschichtzäunen an den Tragflächen (z. B. Fiat G91 oder Suchoi SU22) sowie Umlenkvorrichtungen (Krier 2006, 2007).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine passive Vorrichtung zu konzipieren, die in der Lage ist, die turbulente Grenzschicht des Rumpfes an der Flügelwurzel von der Vorderkante der Tragfläche zu trennen, um zu vermeiden, dass sie an der Vorderkante der Tragflächen ankommt und diese kontaminiert.
Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erfüllt.
Die Vorderkante der Tragfläche bzw. des Tragflügels ist für die Generierung und für den Transport der Grenzschichtströmung maßgebend, da sich im normalen Fall die kontaminierte Grenzschicht des Rumpfes entlang dieser Vorderkante fortbewegt. Wird die turbulente Grenzschicht entlang des Rumpfes von der Tragfläche getrennt, so entsteht an der Vorderkante eine neue laminare Grenzschicht, die durch die Fortbewegung in Spannweitenrichtung die gesamte Grenzschicht über die Tragfläche steuert. Die Lösung gemäß Patentanspruch 1 besteht in einer Vorrichtung an der Wurzel der Tragfläche (Flügelwurzel).
Die Lösung besteht darin, die turbulente Rumpfgrenzschicht an der Flügelwurzel durch eine spitzwinklige Trennkante zu teilen und sie über die Ober- und Unterseite der Vorrichtung in Windrichtung zu leiten. Der Startpunkt für eine neue, nicht kontaminierte Grenzschicht wird auf der Vorderkante, unmittelbar neben der Vorrichtung entstehen. Diese Teilung und Weiterleitung hat so zu erfolgen, dass stromauf und stromab von der Vorrichtung eine möglichst geringe Störung auftritt. Numerische Untersuchungen der Lösung gemäß Patentanspruch 1 zeigen, dass die Anwesenheit dieser Vorrichtung praktisch keine Erhöhung des Widerstandes zur Folge hat.
Die Vorrichtung besteht aus einem speziell geformten Körper an der Flügelwurzel zwischen dem Flügel und dem Rumpf oder aus der speziell geformten Flügelwurzel, der/die mittels verschiedener Kanten und Flächen zwei Funktionen gleichzeitig erfüllt:

– die verlustarme Teilung, Lenkung und Weiterleitung der vom Rumpf kommenden, turbulenten Grenzschicht über die Ober- und Unterseite der Vorrichtung,
– die Erzeugung einer neuen, nicht kontaminierten Grenzschicht auf der Vorderkante unmittelbar neben der Vorrichtung, die verlustfrei entlang der Vorderkante in Spannweitenrichtung weitergeleitet wird.

Außerdem hat sie folgende Eigenschaften:

a) die Funktionsweise ist passiv, d. h. sie arbeitet ohne Energiezufuhr
b) sie ist praktisch für alle Arten von Tragflächen (Flügel, Leitwerke) eines Flugkörpers in Unter-, Trans- oder Überschallströmung, die vom Rumpf kontaminiert werden, anwendbar
c) sie führt zu geringerem spezifischen Kraftstoffverbrauch, geringerer Lärmentwicklung und geringerer Schadstoffemission.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen
1 Prinzip der Grenzschichttrennung mit Angabe der Parametern
2 Ausführungsbeispiel der Erfindung – Zeichnung
Gemäß der Bezugszeichenliste am Ende dieser Beschreibung sind mit verschiedenen Zahlen die wichtigsten Bereiche der Vorrichtung in der 1 gezeigt.
Die Prinzipskizze in 1 zeigt in der Draufsicht und in Perspektive den Rumpf mit der gepfeilten Tragfläche. Die Freiströmrichtung oder Windrichtung (5) ist identisch, bis auf die Pfeilrichtung, mit der Flugrichtung des Flugkörpers. Deshalb sind in der Skizze die Pfeile der Freiströmrichtung parallel mit dem Rumpf (1) dargestellt. Die Anwesenheit der Tragfläche endlicher Dicke führt dazu, dass die Anströmung eine Komponente in Richtung der Vorderkante oder Staulinie (4) aufweist. Diese Komponente transportiert die Grenzschichtströmung entlang der Vorderkante oder Staulinie bis zum Flügelende. Die Trennvorrichtung ist an der Flügelwurzel angebracht und hat einige wichtige Eigenschaften für die störungsfreie Trennung:

A) Sie hat eine spitzwinklige Trennkante (6), die nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung (5) in Spannweitenrichtung liegt, um möglichst verlustfrei die gesamte ankommende turbulente Grenzschicht zu teilen.
B) Sie hat zwei Umlenk- und Führungsflächen, die Oberseite (2) und die Unterseite (3), die in Tiefenrichtung (Windrichtung) des Flügels über die Länge (l) eine sanfte Führung der Strömung ermöglichen, um die Verluste möglichst klein zu halten.
C) Sie ist seitlich (in Spannweitenrichtung) von der Rumpffläche und von der Seitenflanke (9) begrenzt. Die Abmessung (b) ist direkt von der Rumpfgrenzschichtdicke (10) abhängig und muss größer als diese sein. Die Vorderkante der Tragfläche (4) kann am Anfang einen Abstand (d) zur Trennkante (6) aufweisen.

Aufgrund der Spezialform der Tragfläche ist die Geometrie der Vorrichtung nicht so einfach, wie in der Prinzipskizze dargestellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Lösung ist als Zeichnung in 2 vorgestellt. Maßgebend ist die Geometrie der Vorrichtung, die durch die Gestaltung der Trennkante und der Flächen stromab dafür sorgt, dass die kontaminierte Grenzschicht sanft (ohne Stöße) geteilt und weitergeleitet wird. Wenn man die Vorrichtung durch eine Ebene parallel mit der Symmetrieebene des Flugkörpers schneidet, erhält man den Schnitt C-C in 2, wo die tatsächlichen Formen der Ober- und Unterseite ersichtlich sind, bzw. den Schnitt A-A in der Prinzipskizze 1, wo einige wichtige Parameter des Querschnittes eingezeichnet sind. Wichtigste Parameter der Vorrichtung sind die Position und Richtung der Trennkante (6) bezüglich Windrichtung (5), die Länge (l) des Übergangs von der Trennkante bis zur ursprünglichen Form der Tragfläche, die Breite der Vorrichtung (b), der Abstand in Windrichtung zwischen Vorder- und Trennkante (d) und der Winkel der Trennkante (φ).
Die Trennkante – mit Nr. 6 in 1 markiert – ist der Bereich der Vorrichtung, der als erstes mit der turbulenten Grenzschicht in Kontakt kommt und, wie die Bezeichnung auch besagt, sie in zwei Hälften teilt. Um diese Aufgabe möglichst optimal zu erledigen, muss diese Trennkante möglichst senkrecht zur Windrichtung liegen. Theoretisch müsste die Trennkante einen scharfen, spitzen Winkel (φ) bilden. Praktisch wird diese Kante einen kleinen Krümmungsradius (< 1 mm) haben, da Festigkeits- und Erosionsaspekte eine wichtige Rolle spielen. Dies führt zu einem Staueffekt an dieser Kante, der, unter Umständen, die kontaminierte Grenzschicht des Rumpfes an die Vorderkante übergeben könnte, deshalb empfiehlt es sich einen kleinen Abstand zwischen der Vorder- und Trennkante (d) vorzusehen. Einen Wert von 5 mm hat sich als ausreichend erwiesen. Der Winkel (φ) muss spitz (deutlich kleiner als 90°) sein. Werte zwischen 20° und 30° wurden erfolgreich getestet. Die Breite (b) der Vorrichtung muss die größte Dicke der Rumpfgrenzschicht überschreiten. Dass heißt, dass die Seitenflanke (9) sich vollständig außerhalb der Rumpfgrenzschicht befinden muss, um den Kontaminationseffekt zu vermeiden.
Werkstoffe:
Die Umlenkvorrichtung kann aus ähnlichen Werkstoffen wie die Tragfläche (Aluminium-, Stahl-, Titanlegierungen oder Verbundstoff) gefertigt werden. Bei geringerer Machzahl kann auch Kunststoff in Frage kommen.
Montage:
Die Trennvorrichtung soll unmittelbar an den Rumpf, innerhalb von dessen Grenzschicht, an der Wurzel der Tragfläche fest montiert sein, um die maximalen Vorteile erreichen zu können.
Die wichtigsten Bereiche der Vorrichtung sind mit verschiedenen Zahlen in der 1 gezeigt:

1: Rumpf oder rumpfähnlicher Körper
2: Oberseite der Tragfläche
3: Unterseite der Tragfläche
4: Vorderkante oder Staulinie
5: Flug- oder Windrichtung
6: Trennkante der Vorrichtung
7: Oberseite der Vorrichtung
8: Unterseite der Vorrichtung
9: Seitenflanke
10: Turbulente Rumpfgrenzschicht.

Claims

Trennvorrichtung an der Wurzel von gepfeilten Tragflächen eines Flugkörpers mit einem Rumpf oder rumpfähnlichen Körper dadurch gekennzeichnet, 1. dass sie direkt an der Wurzel der Tragfläche angeordnet ist, 2. eine spitz zulaufende Trennkante senkrecht zur Strömung hat, – mit der Spitze in Richtung Flugrichtung zeigend, – die von zwei Flächen gebildet ist, die zur Ober (1)- und Unterseite (2) des Flügels führen und in Richtung stromab verlaufen, 3. dass sie von der Rumpffläche und eine senkrecht zur Tragfläche in einem Abstand von mehr als eine Rumpfgrenzschichtdicke liegende Fläche begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie insbesondere bei Flugzeugen, Raketen, Fluglenkkörper, Drohnen und Raumfähren Verwendung findet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkante einen anderen Winkel als 90° mit der Windrichtung bildet.