Helikopter Simulation Aerodynamik und Aeroakustik

Hubschrauber und Aeroakustik

Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

Die Arbeitsgruppe Hubschrauber und Aeroakustik beschäftigt sich vorwiegend mit der hochgenauen Simulation des Systems Hubschrauber und anderer Drehflügler. Das Ziel ist die möglichst wirklichkeitsgetreue und belastbare Wiedergabe am Computer unter Berücksichtigung aller relevanten Effekte einschließlich Strömungs-Strukturkopplung und Flugmechanik.

                                                    

Die Arbeitsgruppe befasst sich vorwiegend mit der hochgenauen CFD-Simulation von Fluggeräten mit drehenden Komponenten, hauptsächlich Hubschraubern. Wegen der Elastizität der Rotorblätter, die für belastbare Ergebnisse zwingend berücksichtigt werden muss, kommt hierfür Strömungs-Strukturkopplung zum Einsatz. Als Strömungslöser wird FLOWer verwendet, der ursprünglich vom DLR entwickelt wurde und seither am IAG kontinuierlich für die Anforderungen am Hubschrauber erweitert und verbessert wird. Hinzu kommt die aeroakustische Auswertung der erzeugten Strömungssimulationen, die mit einem am IAG entwickelten Werkzeug erfolgt und dabei detaillierte Analysen der zugrundeliegenden Schallmechanismen erlaubt.

Hubschrauberaerodynamik
Hubschrauber im Schwebeflug

In enger Kooperation mit dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart ist so über die letzten beiden Jahrzehnte ein international anerkanntes und höchst produktive Simulationsframework entstanden, mit dem robuste und belastbare Ergebnisse für eine Vielzahl an aerodynamischen, flugmechanischen und aeroakustischen Fragestellungen um den Hubschrauber und für andere Drehflüglerkonfigurationen erzeugt werden können.

Die Anwendungen gruppieren sich aktuell um drei unterschiedliche Konfigurationen:

Hubschrauber
Hubschrauber

Hubschrauber

Die klassische Helikopterkonfiguration mit einem Haupt- und einem Heckrotor steht nach wie vor im Zentrum der Forschungsaktivitäten. Seit fast zwei Jahrzehnten ist die gekoppelte Simulation von Komplettkonfigurationen im freien Flug Stand der Technik, bei der die aerodynamischen Kräfte am Rotor mit der Deformation der Blätter konsistent konvergiert werden. Darüber hinaus werden in der Trimmung die Steuer- und Lagewinkel so angepasst, dass sich der gewünschte stationäre Flugzustand einstellt. So werden zuverlässige Vorhersagen über Leistung, Belastungen und Lärm ermöglicht.
Neuere Entwicklung erlauben über eine elastische Betrachtung des Rumpfes auch die Vorhersage von Vibrationen in unterschiedlichen Flugzuständen, die immer bessere Wiedergabe der aeroakustischen Lärmkomponenten und mittlerweile auch die Simulation von Manövern in Erweiterung der bisher betrachteten stationären Flugzustände. Damit können ganz neue Themenbereiche zur Flugsicherheit und kritischen Flugzuständen bearbeitet werden.

Lufttaxi-Konfiguration Volocopter
Lufttaxi-Konfiguration Volocopter

Neuartige Drehflüglerkonfigurationen

Neben dem klassischen Hubschrauber sind weitere Konfigurationen in das Interesse der Forschung gerückt, um bestehende Grenzen des bewährten Konzeptes zu überwinden und neue Einsatzfälle zu erschließen. Dazu gehören Compound-Hubschrauber wie der RACER von Airbus Helicopters, der mit zusätzlichen Flügeln und Vortriebspropellern erheblich höhere Geschwindigkeiten erreicht und somit einen größeren Aktionsradius ermöglicht.
Noch größeres Potenzial versprechen aber neue, disruptive Layouts von häufig mehreren Rotoren für den Transport in bewohntem Gebiet, unter der Bezeichnung Urban Air Mobility, landläufig auch als Lufttaxis bekannt. Mehrere hundert Konzepte sind hier weltweit in unterschiedlichen Reifestadien in der Entwicklung. Da es sich hier noch um vergleichsweise neuartige Konfigurationen handelt, sind noch fundamentale Forschungsfragen zu klären, bis ein sicherer und effizienter Einsatz in der breiten Masse in Frage kommt. Hierfür kommen die gleichen Werkzeuge zum Einsatz wie sie für den Hubschrauber vielfach erprobt wurden und erfolgreich Ergebnisse geliefert haben.

Verteilte Antriebe

Der drängende Bedarf nach effizienten Luftfahrttechnologien mit reduzierten Emissionen erfordert neue Konzepte. Für die Kurzstrecke bieten sich Propellerantriebe an, die entlang der Tragflächen verteilt werden können und über niedrigere Kreisflächenbelastung und positive Interaktionseffekte mit der Tragfläche den Wirkungsgrad verbessern. Elektrische Antriebe sind lokal emissionsfrei und erlauben diese verteilte Schuberzeugung mit hoher Effizienz. Zu den Emissionen zählt aber auch die Lärmentwicklung, die bei dieser Optimierung nicht unzumutbar ansteigen darf. In enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe Luftfahrzeugaerodynamik, die sich auf die aerodynamischen Fragestellungen konzentriert, werden hier die aeroakustischen Phänomene untersucht, die sich aus der engen Interaktion zwischen den Propellern untereinander sowie den Propellern mit dem Flügel ergeben.

Das Foto zeigt am Flügel verteilte Antriebe
Am Flügel verteilte Antriebe

PD Dr. rer. nat. Manuel Keßler

Dieses Bild zeigt Manuel Keßler

Manuel Keßler

PD Dr. rer. nat.

Akademischer Oberrat / Leiter Hubschrauber und Aeroakustik

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