Folie 1

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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung Bionik I
Vorbild Vogelflug Evolution
aerodynamischer Tricks am Vogelflügel
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Dädalus und Ikarus Vorbild Vogel
Kein Leitwerk
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Otto Lilienthal (1848-1896)
Otto Lilienthal am 16. August 1894
Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges
führten zum ersten erfolgreichen Flug des Menschen
Schlagflügelapparat
mit aufgespreizten Flügelenden
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Seeschwalbe
Seeschwalbe
Rumpf mittig ! Flügel vorn ! Leitwerk hinten !
Foto Ingo Rechenberg
Lösung der biologischen Evolution
Lösung der Ingenieure nach über 100 Jahren
Flugzeugentwicklung
5
Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker
Denn
Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung
Das Flugzeug ist noch immer
Gegenstand bionischer Forschung
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?
Energieersparnis
Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
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Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug
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Randwirbel an einer F 18 Hornet
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Wie entsteht Auftrieb an einem
Tragflügelprofil ?
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1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein
längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein.
2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht
Unterdruck (Bernoulli-Gleichung).
Dagegen spricht
Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb,
obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !
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Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf
der Profiloberseite die notwendige
Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten
Bewegungsbahn zu halten.
Zentripetalkraft
Zentrifugalwirkung
Unterdruck
Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb
?
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Auch bei einer angestellten ebene Platte sind die
Stromlinien gekrümmt und sie erzeugt deshalb
Auftrieb
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Abstraktes mathematisches Modell der
Auftriebsentstehung
A
v
Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb !
Theorie Potentialströmung Auftrieb 0 !
Mathematische Strömung Potentialwirbel
Geschwindigkeitsfeld
Formel von Kutta/Joukowski
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Anfahrwirbel
Zirkulation
Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel
an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel
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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 G .
G
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Helmholtz Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids
kein freies Ende haben !
!
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Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick
verschwinden lassen
Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es
entsteht ein Randwiderstand.
Nach Ludwig Prandtl
Aber Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem
Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand
vermindern.
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Längsauftrennung des Flügels
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Der Doppeldecker-Trick halbiert den Randwiderstand
Vorausetzung Großer Staffelabstand der Flügel
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Horatio Frederick Phillips
1845 -1926
20-Decker von Horatio F. Philipps (1904)
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Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand
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Rabengeier mit
aufgespreizten Flügelenden
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Formation einer strömungs-beschleunigenden
Wirbelspule Siehe Vorlesung Berwian
Randwirbel am Normalflügel
Multideckertrick oder
Wirbelspulenprinzip
Zwei Deutungen des
Spreizflügeleffekts
Randwirbel am Spreizflügel
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ca- cw- Messung
Nachkommen realisieren
Flexible Bleistreifen
Neue Generation
Eltern eingeben
Nachkommen bewerten
Nachevolution im Windkanal (Neobionik)
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Generation
0
3
6
9
15
12
18
21
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Evolution eines Spreizflügels im Windkanal
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Diplomarbeit Michael Stache
Spreizflügel versus Normalflügel
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Was gewinnt der Vogel durch
aufgespreizte Flügelenden ?
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?
?
Evolutions- Wettkampf
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Daten für Bussard
Formel für die Sinkgeschwindigkeit
G 0,8 kg F 0,2 m2 g 9,81 m/s2
r 1,1 kg/m3
Wir erhalten aus dem Polardiagramm
Für den Vogel ohne Spreizung
Für den Vogel mit Spreizung
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13 min 33 sec
14 min 30 sec
Evolutions- Wettkampf
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Boeing C-17 A Globemaster III
Winglets
Vorstufe des Spreizflügels des Vogels
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Winglets am Segelflugzeug
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Auf dem Weg
Doppelwinglets MD 11 (Boeing)
zum Vogelflügel
Dreifach-Winglets (Antonov)
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Auf dem Weg zum Vogelflügel
Doppelwinglets Arava IAI 202
(1977)
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Auf dem Weg zum Vogelflügel
Winggrids
a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero
b) "Winggrid" eines Kondors
c) Motorsegler Stemme S10
Lang gezogene Wirbelspule
Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der
Wirbelzöpfe
d)
Aus dem Internet
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Flugmodell mit Multiwinglets
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Foto Michael Stache
Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets
für ein Segelflugzeug
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Flugmessungen an einem Segelflugzeug
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Die abnehmende Flügeltiefe muss man sich in
kleinen Stufen realisiert vorstellen
Vom gespreizten
Flügelunterseite wird zur Oberseite (Möbius-Band)
Vogelflügel
Patent von Louis B. Gratzer
zum
Schlaufenflügel
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Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe
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Schlaufenflügel (spiroid wing)
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Studenten-Praktikum am Storchenflügel
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Flugzeugabsturz
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Birgenair-Flug 301 Absturz am 9. Februar 1996
bei Puerto Plata in den Atlantik
Absturz durch Strömungsablösung
Aus dem Untersuchungsbericht
Die wahrscheinliche Unglücksursache lag in dem
Unvermögen der Flugbe-satzung, die Aktivierung
des Stick Shaker als unmittelbare Warnung für den
Übergang in den überzogenen Flugzustand zu
erkennen und die Unfähigkeit, die entsprechenden
Verfahren zur Behebung dieses Flugzustandes
durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick
Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des
Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die Warnung
für die Überschreitung der maximalen
Geschwindigkeit zur Verwirrung der Besatzung
geführt.
Die Unglücksmaschine am Flughafen
Berlin-Schönefeld im Juli 1995
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Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug
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Braun-Skua in der Antarktis
? ? ?
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Wie kommt es zu einer Strömungsablösung ?
Hoher Unterdruck (Sog)
Druckverteilung an einem Tragflügelprofil
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B
Wichtig !!!!!!!
A
Entstehung einer Ablösung
Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand
stromab bewegt, wird durch Reibung abgebremst.
Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog
ankämpfen muss, kommt am Punkt A zum Stillstand.
A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt.
Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt
das an der Stelle B beschleunigte
Strö-mungsteilchen (Bernoulli !) dem Sog des
Unterdrucks.
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B
A
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Zusammenbruch des Auftriebs
Wanderung der Ablösung
zum Druckminimum
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!
Bremsung der Ablösung
durch eine Deckfeder
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Braun-Skua
Die flexiblen Deckfedern bilden ein
Rückschlag-ventil. Rückstromtaschen öffnen sich,
bevor die Strömung abreißt.
? ? ?
Rückstromtaschen
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Braun-Skua Anordnung der Deckfedern
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Dreifache Rückstrombremsung
Braun-Skua Ablösekontrolle
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Der Deckfeder-Effekt
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Janosch Huser
Rückstrombremsen an einem Flugmodell
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Aerodynamischer Trick Daumenfittiche (Alulae)
These Randwirbel, der als Grenzschichtzaun
fungiert
Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ?
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Profilnase - Skua
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Aerodynamischer Trick Nasenklappen
Angriff - Hochziehende Skua
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Ende
www.bionik.tu-berlin.de