Quelle Nummer 233

Rubrik 28 : TECHNIK   Unterrubrik 28.01 : BUECHER

FLUEGELPARAMETER
UWE GANZER
EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN UEBER DEN EINFLUSS
VON FLUEGELPARAMETERN AUF DIE GUELTIGKEIT DER
FLAECHENREGEL
VDI-Z ZEITSCHRIFT FUER DIE GESAMTE TECHNIK REIHE 7
NR. 23, MAERZ 1970
VDI-VERLAG GMBH DUESSELDORF VERLAG DES VEREINS
DEUTSCHER INGENIEURE 1970, S. 6-


001  Einführung. Geschichtlicher Überblick.
002  Der Anstieg des Widerstandsbeiwertes von Flugkörpern bei
003  transonischen Geschwindigkeiten ist Gegenstand des vorliegenden
004  Berichtes. Eine allgemeine Aussage über diesen
005  Widerstandsanstieg macht die " Transonic-Flächenregel ".
006  Sie besagt: " Die Variation des Widerstandes von Flugkörpern
007  bei Null-Auftrieb ist bei transonischen Geschwindigkeiten im
008  wesentlichen abhängig von der axialen Verteilung der
009  Querschnittsflächen des Körpers ". Die erste Untersuchung,
010  die zu dieser Erkenntnis führte, ist durch ein Patent von Hertel,
011  Fenzl und Hempel ]1[ aus dem Jahre 1944 belegt. Es ist
012  interessant festzustellen, auf welche Weise diese Entdeckung der
013  Flächenregel erfolgte: Bei der Windkanaluntersuchung eines
014  Flugzeugmodells in hoher Unterschall-Strömung wurden im
015  Schlierenbild Stöße sichtbar, deren Ursprung nicht eindeutig
016  lokalisierbar war. Da die Stöße stets etwa senkrecht zur
017  Anströmrichtung lagen und besonders bei schallnaher Anströmung
018  weit in den Raum reichten, konnten sie ihren Ursprung an jeder
019  belibigen Stelle innerhalb der Ebene senkrecht zur Flugkörper-
020  Längsachse haben. Führt man die Stöße auf die
021  Verdrängungswirkung des Flugkörpers zurück, so erschien zur
022  Verminderung von Stößen eine Staffelung der Querschittsflächen
023  in axialer Richtung angebracht, derart, daß eine stetige und
024  allmähliche Zunahme und Abnahme der
025  Querschnittsflächen in axialer Richtung erfolgt. Diese
026  Feststellung impliziert die Annahme, daß sich innerhalb der
027  Ebenen senkrecht zur Anströmung lokal verursachte Verdichtungen
028  und Expansionen gegenseitig auslöschen, was wiederum voraussetzt,
029  daß sie sich nur innerhalb dieser Ebene ausbreiten. Ein erster
030  theoretischer Versuch, den Widerstandsanstieg von Flugkörpern
031  bei Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit über (Formel) zu bestimmen,
032  wurde von Hayes 1947 unternommen ]2[. Hayes benutzte die
033  linearisierte Überschalltheorie und berechnete den
034  Wellenwiderstand von Flugkörpern bei Nullauftrieb im
035  Grenzübergang (Formel) von der Uberschallseite her. Dies führte zu
036  der bemerkenswerten Erkenntnis, daß der Widerstandsanstieg bei
037  (Formel) allein von der axialen Querschnitts-Flächenverteilung des
038  Flugkörpers abhängig war. Skepsis gegenüber dieser Aussage war
039  insofern angemessen, als die linearisierte Überschalltheorie bei
040  der Berechnung des Widerstandes gerade für den Fall (Formel) nicht
041  gültig ist. Eine überzeugende theoretische Behandlung des
042  Problems wurde von Oswatitsch ]3[ in Zusammenarbeit mit
043  Keune ]4[ durchgeführt. Bei den Untersuchungen lag die
044  nichtlinearisierte gasdynamische Gleichung zugrunde und wurde für
045  die Strömung um schlanke Körper angewandt. Die Strömung wurde
046  dabei aufgeteilt in eine Querschnittsströmung und in einen
047  Raumeinfluß. Mit der Querschnittsströmung wird die
048  Randbedingung am Körper erfüllt. Der Raumeinfluß hingegen ist
049  allein abhängig von der Verteilung der Querschnittflächen entlang
050  der Längsachse. Es wird die Bezeichnung " Äquivalenter
051  Rotationskörper " eingeführt. Dieser ist dadurch bestimmt,
052  daß er in jeder Schnittebene senkrecht zur Anströmung die gleiche
053  Querschnittsfläche besitzt wie der betrachtete Körper kleiner
054  Spannweite. Dann ergibt sich für den Raumeinfluß eine Aussage,
055  die als " Äquivalenzsatz " bezeichnet wurde: " Der
056  Raumeinfluß eines Körpers kleiner Spannweite und der des
057  äquivalenten Rotationskörper sind gleich ". Weiterhin kann
058  gezeigt werden, daß der reibungsfreie Widerstand eines Körpers
059  bei schallnaher Strömung gleich dem seines äquivalenten
060  Rotationskörper ist, wenn der Körper ab (Formel) entweder mit
061  konstantem Querschnitt weitergeführt wird oder aber wenn der
062  Rotationskörper mit einem spitzen (kegligen) Heck bei (Formel) endet.
063  Dies entspricht des Aussage der Flächenregel. Eine
064  experimentelle Bestätigung dieser theoretischen Erkenntnis sind
065  die Untersuchungsergebnisse von Whitcomb (1952) ]5[.
066  Whitcomb konnte experimentell nachweisen, daß die Stoßformen,
067  hervorgerufen von recht unterschiedlichen Flugkörpern gleicher
068  Flächenverteilung, in einiger Entfernung vom Flugkörper sehr
069  ähnlich sind. Die Annahme, daß diese Stöße im wesentlichen
070  den Widerstandsanstieg bewirken, führte schließlich zu der
071  Feststellung, daß der Widerstandszuwachs bei Erhöhung der
072  Geschwindigkeit über (Formel) für Flügel-Rumpfverbindungen und
073  deren äquivalente Rotationskörper etwa gleich ist. Damit ist das
074  Problem der Widerstandsminimierung im wesentlichen auf die Suche
075  nach dem Rotationskörper kleinsten Widerstandes zurückführt.
076  Für die praktische Flugzeug-Formlegung resultier aus der
077  Flächenregel insbesondere zwei Gestaltungsprinzipien:
078  Zusätzliche Verdrängungskörper an einer Flügel-Rumpf-
079  Verbindung, wie beispielweise Triebwerksgondeln, werden in
080  Längsachsenrichtung gestaffelt angeordnet ]7[.
081  Der Querschnittsflächenzuwachs an einer Stelle in der Ebene (Formel)
082  konstant, (z. B. durch den Flügel) wird durch
083  Einschnürung an anderer Stelle in der gleichen Ebene (z.B.
084  am Rumpf) kompensiert. Auf diese Art erhält der
085  äquivalente Rotationskörper eine möglichst schlanke Form. Das
086  bedeutet für den Flugkörper einen geringen transonischen
087  Widerstandszuwachs. Die Nützlichkeit einer Rumpfeinschnürung
088  im Flügelwurzel-Bereich läßt sich auch noch mit einer
089  anderen Betrachtungsweise begründen: Bei einem Pfeilflügel
090  herrschen an der Flügelspitze und an der Flügelwurzel
091  ausgesprochen dreidimensionale Strömungsverhältnisse vor. An der
092  Flügelwurzel geht der Pfeileffekt wegen des zylindrischen Rumpfes
093  verloren. Es ist allerdings möglich durch eine entsprechende
094  Formgebung des Rumpfes (Einschnürung) eine Druckverteilung
095  entlang der Flügelwurzel anzunähern, wie sie vornehmlich im
096  Bereich der Flügelmitte vorhanden ist, wo die Pfeilwirkung voll
097  zur Geltung kommt. Diese Methode ist als " Küchemann-
098  Waisting " bekannt ]8[. Bemerkenwert ist an dieser
099  Betrachtungsweise, daß sie sich ausdrücklich nicht auf schlanke
100  Flugkörper bezieht. Bei dem hier gegebenen historischen
101  Überblick kam es im wesentlichen darauf an, die verschiedenen
102  Voraussetzungen und Gesichtspunkte herauszustellen, die der
103  Formulierung der Flächenregel zugrunde lagen. Hervorzuheben sind
104  dabei die Voraussetzungen der Reibungsfreiheit sowie der
105  Schlankheit der untersuchten Körper. Daraus ergeben sich
106  zwangsläufig Einschränkungen für die Gültigkeit der
107  Flächenregel. Gründe für die Einschränkung der
108  Gültigkeit der Flächenregel. Eine strengere Abgrenzung des
109  Begriffes " schlanker Körper " führt zu einer ersten
110  Einschränkung der Gültigkeit der Flächenregel. Es hat sich
111  gezeigt, daß eine derartige Abgrenzung nicht für alle denkbaren
112  Flügelkörperformen gleichermaßen erfolgen kann. Für den
113  Rechteckflügel wurde von Spreiter ]9[ als Grenze des
114  Anwendungsbereichs der Flächenregel eine maximale Streckung (Formel)
115  ermittelt. Die untersuchten Rechteckflügel waren unverwölbt und
116  hatten affine Querschnittsflächenverteilung. Die Flächenregel
117  besagt in diesem speziellen Fall, daß der transonische
118  Widerstandsanstieg der Flügel linear abhängig ist von dem
119  Quadrat der maximalen Querschnittsfläche. Bezieht man den
120  Widerstand auf die Flügeltiefe, so bedeutet das (Formel) Die
121  experimentellen Ergebnisse bestätigen diesen Zusammenhang nur für
122  Flügel mit einer Streckung (Formel). Im Rahmen der von Spreiter ]
123  9[ durchgeführten Untersuchung ergab sich noch eine weitere
124  Kenntnis, die hier Erwähnung finden soll. Der
125  Widerstandsanstieg der Flügel mit einer Streckung (Formel) erwies sich
126  als nichtlineare Funktion des Produktes (Formel). Dies deutet darauf
127  hin, daß der transonische Wideranstieg außer von der
128  Querschnittsflächenverteilung auch noch von anderen geometrischen
129  Parametern abhängig sein muß. Nun ist jedoch festzustellen,
130  daß bei den untersuchten Rechteckflügeln mit ähnlicher
131  Flächenverteilung die Geometrie der Flügel vollständig durch
132  die Streckung (Formel) und das Dickenverhältnis (Formel) beschrieben wird.
133  Somit muß der Widerstandsanstieg eine Funktion (Formel) sein, wobei
134  diese beiden Größen in irgendeiner anderen Form als allein durch
135  das Produkt (Formel) miteinander verknüpft sind. In dem vorliegenden
136  speziellen Fall ist es nun möglich, mit der " Transonic-
137  Ähnlichkeitsregel " eine Aussage über den Widerstandsanstieg
138  auch für die Flügel mit einer Streckung (Formel) zu machen. Die
139  Anwendung dieser Ähnlichkeitsregel setzt voraus, daß die
140  betrachteten Flugkörper alle affine Grundrißform und affine
141  Dickenverteilung besitzen. Diese im allgemeinen weitgehend
142  einschränkende Voraussetzung ist im vorliegenden Fall erfüllt.
143  Für eine Anströmgeschwindigkeit (Formel) besagt dann diese Regel,
144  daß der Widerstandsanstieg abhängig ist von dem Produkt
145  Streckung (Formel) (relative Dicke) (Formel), d. h. es ist (Formel) Ein
146  Vergleich dieser Aussage mit derjenigen der Flächenregel führt
147  zu der Feststellung, daß die Flächenregel dann gültig ist,
148  solange der bezogene Wellenwiderstand unabhängig von (Formel) ist. Die
149  Aussage der Transonic-Ähnlichkeitsregel in einer anderen
150  Darstellung besagt, daß ein linearer Zusammenhang für (Formel)
151  bestehen muß wenn die Flächenregel anwendbar ist. Die
152  experimentellen Ergebnisse bestätigen die Anwendbarkeit der
153  Flächenregel für Werte (Formel). Die Transonic-
154  Ähnlichkeitsregel sagt ferner im Gegensatz zur Flächenregel aus,
155  daß der Widerstandsanstieg von der Wölbung abhängig ist. Die
156  experimentellen Ergebnisse deuten an, das die Flächenregel nur
157  anwendbar ist für Rechteckflügel mit gleichem
158  Wölbungsverhältnis (Formel). In Anlehnung an die Betrachtungen von
159  Spreiter sind von Page ]10[ Deltaflügel untersucht worden.
160  Es wird gezeigt, daß die Flächenregel für Deltaflügel
161  anwendbar ist, solange (Formel) bleibt. Es ist jedoch bemerkenswert,
162  daß die Abweichung von einer linearen Abhängigkeit (Formel) bei
163  Deltaflügeln bei weitem weniger ausgeprägt ist als bei
164  Rechteckflügeln. Diese Erkenntnisse sind insofern besonders
165  wertvoll, als sie eine quantitative Aussage über den
166  Widerstandsanstieg bei (Formel) für Körper mit affiner
167  Querschnittsflächenverteilung ermöglichen, während die
168  Flächenregel in ihrer ursprünlichen Form nur aussagt, daß der
169  Widerstandszuwachs von Körpern mit gleicher Flächenverteilung
170  gleich ist. Sheppard ]11[ schlägt vor, als Maß für die
171  Schlankheit der Flugkörper (Formel) anstelle (Formel) einzuführen, wobei
172  (Formel) Spannweite/Länge ist. Auf diese Art werden die Kurven
173  für die reduzierten Widerstandsbeiwerte nahezu zur Deckung
174  gebracht. Sheppard führte Freiflugversuche mit Pfeilflügeln
175  durch. Die Flächenregel scheint danach anwendbar zu sein für
176  Flügel, bei denen (Formel) ist. Neben einer Einschränkung der
177  Gültigkeit der Flächenregel infolge der Beschränkung auf
178  schlanke Körper gibt es noch weitere Einschränkungen, die im
179  folgenden näher diskutiert werden sollen. Von Sheppard ]11[
180  wird hervorgehoben, daß bei einem von null verschiedenen
181  Nasenradius der Flügelprofile ein zusätzlicher Widerstand
182  entstehen kann. Sheppard bezieht sich auf eine Arbeit von Jones
183  ]12[, der Widerstandskräfte an Flügelvorderkanten
184  berechnete für den Fall, daß die Strömungskomponente senkrecht
185  zur Vorderkante (Formel) ist. Sheppard betont zwar, daß dieser
186  Vorderkantenwiderstand in dem Wellenwiderstand eingeschlossen ist,
187  der sich mit der Flächenregel errechnet, jedoch erscheint ihm ein
188  zusätzlicher Widerstand besonders dann wahrscheinlich, wenn die
189  Umströmung der Vorderkante ausgesprochen transonischen Charakter
190  hat. Die experimentellen Ergebnisse in ]11[ liefern eine
191  Bestätigung dieser Annahme. Unter der Voraussetzung, daß für
192  die untersuchten Fälle Stoß-Grenzschicht-Interferenzen
193  unbedeutend sind, zeigt sich beim Vergleich mit den Meßwerten
194  für den Rotationskörper ein zusätzlicher Vorderkantenwiderstand,
195  der etwa doppelt so groß ist wie der nach Jones ]12[
196  berechnete. Es ist leicht vorstellbar, daß Stoß-
197  Grenzschicht-Interferenzen zu einem erheblichen Anstieg des
198  Widerstandes führen können, wenn sie eine Ablösung der
199  Strömung zur Folge haben. Diese Gefahr besteht insbesondere
200  dann, wenn lokal eine starke Krümmung der Oberfläche des
201  Flugkörpers vorliegt. Starke Krümmungen können bei gewölbten
202  Flügelprofilen und auch bei geometrisch verwundenen Flügeln
203  auftreten. Jedoch auch für den reibungsfreien Fall ist durch
204  Wölbung der Flügelprofile ein zusätzlicher Wellenwiderstand
205  durchaus vorstellbar. Geht man nämlich davon aus, daß lokal
206  verursachte Kompressionen und Expansionen sich innerhalb einer
207  Ebene x = konstant gegenseitig auslöschen, so ist dies für einen
208  weiten Bereich z. B. dann nicht möglich, wenn Kompression
209  und Expansion jeweils an der Oberseite und Unterseite
210  des Flügels verursacht werden und lokal begrenzt sind.
211  Ziel der Untersuchung. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist,
212  es, eine Aussage über den Gültigkeitsbereich der Transonic
213  -Flächenregel zu machen. Die vorangegangenen Überlegungen
214  lassen eine nähere Untersuchung des Einflusses von drei
215  geometrischen Parametern für sinnvoll erscheinen: Nasenradius,
216  Wölbung und geometrische Verbindung. Vorausgesetzt wird, daß
217  der Parameter (Formel) ist. Den ausgang bildete ein Grundmodell mit
218  symmetrischen NACA 65 (math.Op.) 006 Profilen. Die anderen Modelle,
219  ergaben sich durch Variationen der geometrischen Parameter
220  Nasenradius, Wölbung und Verwindung des Grundmodells.
221  Außerdem wurde ein äquivalenter Rotationskörper vermessen. Der
222  Vergleich der Meßergebnisse für Widerstand und transonischen
223  Widerstandsanstieg speziell bei (Formel) soll eine qualitative Aussage
224  über die Abweichungen am Widerstand des äquivalenten
225  Rotationskörpers ermöglichen. Eine quantitative Aussage soll
226  sich in Anbetracht der experimentellen Schwierigkeiten auf die
227  Größenordnung der Differenzen der Widerstandsbeiwerte beziehen,
228  nicht aber auf die Absolut-Werte des Widerstands für die
229  einzelnen Modelle. Es wird damit angenommen, daß die Meßwert
230  -Verfälschung infolge Kalnalinterferenz für alle Modelle etwa
231  gleich ist. Einen Überblick über die Zuverlässigkeit der im
232  Kanal durchgeführten Messungen gibt der Eichbericht ]20[.
233  Festlegung des Grenzschichtumschlages. Der
234  Grenzschichtumschlag wurde durch Rauhigkeitsstreifen fixiert ]20
235  [. Mit der China-Clay-Methode wurde untersucht, ob
236  die Rauhigkeit ausreichend war, um den Grenzschichtumschlag
237  hervorzurufen. Die Darstellung des Reibungswiderstandsbeiwertes
238  als Funktion der Re-Zahl, zeigt, daß die
239  Rauhigkeitsstreifen für die Festlegung des Grenzschichtumschlages
240  keinen zusätzlichen Widerstand bewirken. Modelle. Die
241  untersuchten sieben Flugzeugmodelle hatten alle die gleichen
242  Grundrißform. Die Entscheidung für einen Deltaflügel hatte
243  verschiedene Gründe: Dem Deltaflügel kommt wegen seines
244  günstigen Längs-Momentenverhaltens im Transonic-Bereich
245  besondere Bedeutung zu. Ein Flügel kleiner Streckung ist für
246  Versuche im ILTUB-Kanal günstig, um bei der durch den
247  kleinen Meßstreckenquerschnitt begrenzten Spannweite einen
248  flächenmäßig großen Flügel zu haben. Aus
249  fertigungstechnischen Gründen wurde eine Zuspitzung von (Formel)
250  angenommen. Die nähere Festlegung der geometrischen Daten der
251  Modelle erfolgte in Anlehnung an die Maße bekannter Flugzeuge
252  mit Deltaflügel. Für die Flügel, wurde als Basisprofil ein
253  geringfügig modifiziertes NACA 65 (math.Op.) 006 Profil verwendet.
254  Das Grundmodell hat einen unverwundenen Flügel mit symmetrischen
255  Profilen, deren Nasenradius (Formel) ist. Die sechs anderen Modelle
256  entstanden durch Variationen der Nasenradien, sowie durch
257  Verwölbung und geometrische Verwindung. Einzelheiten sind der
258  Tafel 2 zu entnehmen. Die Verwindungsverteilung ist in
259  Bild 8 dargestellt. Eine ähnliche Verwindung wurde von
260  Lock ]17[ im Zusammenhang mit einer geringfügigen
261  Wölbungsvariation benutzt, um bei einem Pfeilflügel eine
262  möglichst hohe kritische Machzahl zu erreichen. Alle
263  Flugzeugmodelle haben eine Rumpfeinschnürung, derart, daß ihre
264  Querschnittflächen in Ebenen senkrecht zur Anströmung gleich der
265  eines Zylinders von D = 20 mm Durchmesser sind. Damit ergibt
266  sich ein Verstopfungsverhältnis für die Meßstrecke von 1,4
267  %. Die Größe der Modelle stellt einen Kompromiß dar
268  zwischen der versuchstechnischen Forderung nach kleinstmöglicher
269  Blockierung der Transonic-Meßstrecke und der Vermeidung
270  fertigungstechnischer Schwierigkeiten sowie dem Bestreben, daß
271  sich die Variation der Modellform in den Widerstandsmessungen
272  möglichst deutlich hervortut. Die Form der Rumpfspitze war für
273  alle Modelle gleich und wurde so gewählt, daß der
274  Widerstandsanteil des Rumpfes am Gesamtwiderstand möglichst klein
275  wird. Die Länge der Spitze ist (Formel) und ihre Form wird
276  beschrieben durch die Gleichung (Formel) Außer den in der Tabelle 2
277  aufgeführten Modellen wurden ein äquivalenter Rotationskörper
278  und das Grundmodell ohne Rumpfeinschnürung vermessen.

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