31. Januar 2012, Verkehr

Buckelwal als Vorbild zur Steigerung der Manövrierfähigkeit von Hubschraubern

Moderne Hubschrauber könnten deutlich schneller und manövrierfähiger sein – wenn ihnen nicht die Aerodynamik bestimmte Grenzen auferlegen würde. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen haben jetzt eine Möglichkeit, die Manövrierfähigkeit zu steigern, im Flugversuch getestet. Die Idee haben sie beim Buckelwal abgeschaut.

Ungewollte Luftwirbel
Dem Rotor verdankt der Hubschrauber seine besondere Fähigkeit, senkrecht starten und landen zu können. Er bringt aber gleichzeitig aerodynamische Nachteile mit sich. An dem Blatt des Hauptrotors eines Hubschraubers, das sich gerade nach hinten bewegt, reißt im schnellen Vorwärts- oder Manöverflug die Luftströmung ab – es kommt zum so genannten „Dynamic Stall“. Dadurch entstehen Wirbel, Auftrieb geht verloren und große Kräfte wirken auf den Rotor. Der Luftwiderstand erhöht sich und die Steuerstangen am Rotorkopf sind enormen Belastungen ausgesetzt. Die Folge: „Die Höchstgeschwindigkeit in großer Flughöhe und insbesondere die Manövrierfähigkeit von Hubschraubern werden begrenzt“, erklärt Dr. Kai Richter vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen. Außerdem werde durch die auftretenden Vibrationen der Passagierkomfort eingeschränkt. Ohne diese Beschränkungen erlauben moderne Triebwerke deutlich bessere Flugleistungen. „Der Strömungsabriss ist eine der großen Herausforderungen in der Hubschrauber-Aerodynamik – und eine der komplexesten“, so Richter. Eine Computersimulation des drehenden Rotors ist deutlich komplizierter als bei Flugzeugen mit starren Flügeln.

Akrobatische Meeressäuger
Bei der Suche nach einer Möglichkeit, den Strömungsabriss bei Hubschraubern zu vermeiden, sind die Göttinger Forscher beim Buckelwal fündig geworden – was nur auf den ersten Blick verwundert. „Die Meeressäuger sind für ihre große Schnelligkeit und Akrobatik bekannt“, sagt Dr. Holger Mai vom Göttinger DLR-Institut für Aeroelastik. Dies verdanken sie ihren ungewöhnlich großen Brustflossen, die an der Vorderseite charakteristische Beulen aufweisen. „Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Beulen der Strömungsabriss unter Wasser deutlich später auftritt und der Auftrieb höher ist“, erklärt Mai.

Die DLR-Forscher haben die Idee von Beulen zur Verringerung des Strömungsabrisses auf den Hubschrauberrotor übertragen und als Leading-Edge Vortex Generators (LEVoGs) patentieren lassen. „Strömungsphänomene sind im Wasser wie in der Luft vergleichbar, sie müssen nur skaliert werden“, so Mai. Darum sind die künstlichen Beulen auf den Rotorblättern kleiner als beim Buckelwal. Sie haben einen Durchmesser von sechs Millimetern und wiegen nur 0,04 Gramm. Experimente im Windkanal waren vielversprechend. Jetzt konnte im DLR-Projekt SIMCOS (Advanced Simulation and Control of Dynamic Stall) auch ein Flugversuch mit dem DLR-Forschungshubschrauber Bo 105 in Braunschweig erfolgreich durchgeführt werden. Dazu wurden auf jedem der vier Rotorblätter 186 LEVoGs aus Gummi geklebt.

„Die Piloten haben bereits ein anderes Verhalten der Rotorblätter festgestellt“, so Projektleiter Richter. Hauptzweck war in diesem ersten Flugversuch, die Sicherheit der neuen Methode zu demonstrieren. „Nächster Schritt ist ein Flug mit einer speziellen Messanlage, um die Effekte genau erfassen zu können“, sagt Richter.

Sollte sich die Idee als erfolgreich erweisen, könnten existierende Hubschrauber damit ohne größeren Aufwand nachgerüstet werden, hofft der DLR-Forscher. Bei künftigen Hubschraubern könnten Konturen von vornherein in die aus Titan bestehende Blattvorderkante gefräst werden. (DLR)



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