Luftschiffaerodanamik

In den letzten Jahren erlebt das Fliegen leicher als Luft eine rasante Renaissance. Dabei werden eine ganze Reihe unterschiedlicher Anwendungen betrachtet. Neben Luftschiffentwicklungen für touristische Aufgaben und zu Werbezwecken (Zeppelin NT) wurde und wird an der Realisierung großer Transportluftschiffe gearbeitet. Darüber hinaus werden derzeit Stratosphärenluftschiffe projektiert, welche die künftige Telekommunikation revolutionieren könnten.

Bei der derzeitigen Luftschiffentwicklung steht eine zuverlässige Konstruktion und ein sicherer Betrieb im Vordergrund. Zur Ermittlung der auftretenden Lasten müssen während der Entwurfsphase die wirkenden aerodynamischen Kräfte und Momente für eine Vielzahl unterschiedlicher Anströmbedingungen bekannt sein. Die Berechnung der Umströmung angestellter Luftschiffkörper wird durch das Auftreten massiver Ablösungen am Rumpf sowie komplexer Rumpf-Leitwerks-Interferenzen erschwert. Insgesamt resultieren teilweise stark nichtlineare Kraft- und Momentenverläufe. Da Luftschiffe je nach Ausführung innerhalb bestimmter Geschwindigkeitsbereiche flugmechanisch instabil sind und zudem insbesondere bei Start und Landung böenanfällig sind, müssen zur Beurteilung des Flugverhaltens und der Manövrierbarkeit bereits während der Entwurfsphase umfangreiche Flugsimulationen durchgeführt werden. Dazu sind stets detaillierte aerodynamische Datensätze erforderlich.

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Abbildung 1 und 2: CFD-Simulation der LOTTE-Umströmung

Am IAG werden seit 1992 kontinuierlich theoretische und experimentelle Arbeiten zur Luftschiffaerodynamik durchgeführt. Neben zahlreichen Auftragsuntersuchungen (Zeppelin NT, CargoLifter, Skystation) stellt die Bearbeitung grundlagenorientierter Forschungsprojekte einen Schwerpunkt in diesem Bereich dar. Die Zielsetzung der Forschungsarbeit besteht dabei zum einen in der Überprüfung der Anwendbarkeit und der Identifikation der Anwendungsgrenzen moderner CFD-Verfahren für die spezifischen Strömungsphänomene an Luftschiffkonfigurationen. Darüber hinaus werden eigene effiziente Verfahren zur Simulation der stationären und instationären Aerodynamik von Luftschiffen entwickelt. Die experimentellen Untersuchungen erstrecken sich von routinemäßigen Kraft- und Momentenmessungen im Mittleren Windkanal und Böenwindkanal des Instituts über Messungen der Druckverteilung bis hin zur detaillierten Vermessung des Geschwindigkeitsfeldes um das Luftschiff sowie der Grenzschicht am Luftschiff. Grundlagenorientierte Untersuchungen wurden insbesondere im Rahmen der DFG-geförderten Forschergruppe Luftschifftechnologie (FOGL) an der Konfiguration des ferngesteuerten Solar-Luftschiffes LOTTE durchgeführt.

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Abbildung 3 und 4: Modellbau und experimentelle Untersuchung der LOTTE-Konfiguration im Mittleren Windkanal des IAG

Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich auf detaillierte Windkanalversuche an der AirWorm Konfiguration, einem Konzept für eine stratosphärische Höhenplattform. Bei der Entwicklung von Höhenplattformen stellt die aerodynamische Optimierung darüber hinaus ein wichtiges Entwurfziel dar. Wir führen beispielsweise Untersuchungen zur Widerstandsminimierung durch Formoptimierung von Luftschiffrümpfen oder der Simulation der Rumpf-Propeller- Wechselwirkung zur Maximierung des Antriebswirkungsgrades durch.
Durch diese systematischen Arbeiten im Bereich der Luftschiffaerodynamik sowie durch zahlreiche Veröffentlichungen konnte sich die Arbeitsgruppe ein umfangreiches Know-how sowie eine weltweit anerkannte Expertise auf diesem Gebiet erarbeiten.

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Abbildung 5 und 6: Konstruktion, Modellbau und Experiment der AirWorm-Konfiguration

 

Tätigkeitsfelder

  • Windkanalexperimente
    • Konstruktion und Modellbau
    • Kraft- und Momentenmessung
    • Druckverteilungsmessung
    • Grenzschicht- und Nachlaufmessungen
  • Numerische Untersuchungen
    • stationäre und instationäre CFD-Analysen
    • Simulation von Propeller-Rumpf Interferenzeffekten
    • Propellerauslegungen und Verifikation
    • Aerodynamische Optimierungen
    • Entwicklung gekoppelter Panel-Grenzschichtverfahren