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BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM B-I-C – Abgeschlossene Forschungsprojekte

Tragflächen-Tuning nach biologischem Vorbild

Kurzdarstellung des Projektes

Das jährlich steigende Volumen an Warenströme und Passagieraufkommen trägt zu einem nicht unerheblichen Maße am weltweiten Verbrauch von fossilen Brennstoffen und den damit verbundenen ökologischen Belastungen wie etwa CO2-Ausstoß und Stickstoffemission bei. Dabei gilt, je schneller die Fortbewegung, desto höher der Energiebedarf. Entsprechend ist z.B. der Luftverkehr mit ca. 3 % an der weltweiten CO2-Emission beteiligt. Zwar reduzieren kontinuierliche Optimierungen z.B. im Bereich der Triebwerke den Kerosinverbrauch um durchschnittlich 1-2 % pro Jahr. Demgegenüber stehen jedoch Passagier- und Frachtgutzuwachsraten von über 4 % jährlich. Auch in der belebten Natur müssen die Transportkosten so gering wie möglich gehalten werden. Hier ist der Energieverbrauch der limitierende Faktor bei der Lokomotion. Demnach findet sich eine Vielzahl von Organismen, die z.B. in Form, Oberflächenbeschaffenheit und / oder Antriebsmechanismus über Jahrmillionen auf einen niedrigen Energieverbrauch optimiert wurden.

Neben des Einsatzes von biologischen Leichtbaustrukturen und "smart materials" sind im Laufe der Evolution eine Vielfalt von Detailstrukturen entwickelt worden, die hinsichtlich der Reduktion der Transportenergie wirksam werden. So konnten bereits erfolgreiche Know-How-Transfers von der Biologie in die Luftfahrt-Technik erreicht werden. Beispielhaft sei die künstliche Haihaut genannt. Diese als Riblet-Folie bekannt gewordene Oberflächen-Modifikation erreicht Kerosineinsparungen von bis zu 5 %.

Damit ist das Innovationspotenzial der Natur jedoch noch längst nicht erschöpft. Bei biologischen Tragflächen lassen sich neben Oberflächeneffekten, Geometrie- und Flügelspitzeneinflüssen auch Applikationen an der Flügelkanten identifizieren. Insbesondere die Hinterkanten haben deutlich erkennbaren Einfluss auf den am System produzierten Widerstand, also den Energieverlust.


Bild 1: Libellula depressa, hier lassen sich an den jeweiligen Hinterkanten der Flügel markante Srukturen erkennen (siehe Detailvergrößerung), die günstige Effekte auf die Auftriebs-Widerstand-Leistung der biologischen Tragflächen haben.

Darüber hinaus wirken sie sich jedoch nicht minder deutlich auf den Auftrieb aus. Erste Vorstudien an biologischen Tragflächen zeigen, dass diese Applikationen als Hochauftriebssysteme wirken, zumindest innerhalb der für die Organismen relevanten Reynold´s-Zahl (Re = Geschwindigkeit multipliziert mit der Flügeltiefe dividiert durch die dynamische Zähigkeit des Mediums; Re (Insekten, Vögel): ca. 100 bis 100.000; Re (Verkehrsflugzeuge): ca. 10 Mio. bis 100 Mio.).


Bild 2: rechts: Lilienthalpolare (cA über cW); links: cA/cW über dem Anstellwinkel α deutlich erkennbar werden in beiden Darstellungsformen die auftriebserhöhenden Effekte der unterschiedlichen Hinterkantenstrukturen gegenüber dem Eppler-Profil 193 mit glatter Hinterkante (Anstellwinkel α: -6° bis +16°; Re: 10.000).

Projektziele

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden aktuell unterschiedliche Strukturen hinsichtlich ihrer Hochauftriebseffekte mit niedrigen Energieverlusten analysiert und deren Übertragungsmöglichkeit auf technische Tragflächensysteme überprüft. Hier gilt es insbesondere die Übertragungsmöglichkeit der gefundenen Effekte in deutlich höheren Reynold´s-Zahl-Bereiche zu analysieren. Da Hochauftriebseffekte insbesondere während der sensiblen Start- und Landemanöver einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Flugsicherheit haben, wird auch diesem Aspekt besondere Beachtung geschenkt.

- Bechert D.W. , Meyer R., Hage W. (2000): Drag reduction of airfoils with miniflaps. Can we learn from dragonflies?. AIAA 2000-2315.

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Antonia B. Kesel (Leitung), Florian Hoffmann, William Thielicke

Veröffentlichungen

  • Kesel, A.B., Blume B., Nebe V. (2007): Learning from nature: Aerofoil tuning by "dragonfly-flaps". In: SEB 2007 Abstracts. CBP Part A, Volume 150, Issue 3, Suppl. 1, p. S141.

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