Strömungswiderstandsreduzierung: Kehrtwende des Kipprotors
Clean Sky ist um sechs wichtige Plattformen herum organisiert und führt zur Entwicklung von Demonstratoren an Bord von Flugzeugen und am Boden. Zu diesen integrierten Technologiedemonstrationssystemen (ITD) gehört die Plattform für umweltfreundliche Drehflügler, die sich speziell auf Hubschrauber und Kipprotorflugzeuge konzentriert. Angesichts der steigenden Transportanforderungen werden deren Einsätze in Zukunft voraussichtlich stark zunehmen. Durch das Kippen der Rotorgondeln senkrecht oder parallel zur Flugrichtung bietet der Kipprotor die Möglichkeit, zu starten und landen wie ein Hubschrauber und zu fliegen wie ein Flugzeug. Das EU-geförderte Projekt DREAM-TILT (Assessment of tiltrotor fuselage drag reduction by wind tunnel tests and CFD) zielte auf die Durchführung von Tests und Simulationen, um die aerodynamischen Eigenschaften von Rumpfkomponenten zu bewerten. In Anbetracht der unterschiedlichen Betriebsmodi für einen Kipprotor befinden sich die primären Quellen des Strömungswiderstandes am vorderen Rumpf sowie an den Flügelanschlussstellen, den Fahrwerkstummeln und den hinteren Leitwerken. Das Green Rotorcraft Consortium 2 (GRC2) hatte zuvor optimierte Formen dieser Komponenten bestimmt, mit denen der Luftwiderstand von Flugzeugen reduziert und die aerodynamische Effizienz verbessert werden kann. Zu diesem Zweck verwendete das Team numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) in Kombination mit innovativen Design-Methoden auf der Basis von mehrkriteriellen evolutionären Algorithmen. In Windkanaltests bewertete DREAM-TILT Rumpfkomponenten der jüngsten europäischen Konzepte für zivile Kipprotoren basierend auf der ERICA-Architektur. Insbesondere bestimmten die Projektpartner die Widerstandsreduktion in Bezug auf die Basiskonfiguration. Alle Komponenten wurden in einer Windkanal-Testkampagne ausgewertet, um eine genaue Aufschlüsselung zu erhalten und den jeweiligen Beitrag zur aerodynamischen Leistung des Gesamtrumpfs festzustellen. Zusätzlich zu den allgemeinen Kraftmessungen führten die Forscher zusätzliche Strömungsvisualisierungen durch, um die Flussmechanismen besser zu verstehen, die für die Vorteile durch neue Konfigurationen zur Widerstandsreduzierung verantwortlich sind. Drei Geschwindigkeitskomponenten des Strömungsfeldes wurden für die lokalisierte Validierung von CFD-Tools erstellt, die in den Optimierungsprozess aufgenommen wurden. Als nächstes verwendeten die Wissenschaftler bereits getestete und validierte numerische Modelle, um eine Reihe von Berechnungen der aerodynamischen Leistung des optimierten ERICA-Rumpfs in vollem Maßstab durchzuführen. Die Ergebnisse wurden mit Windkanaldaten verglichen, um die Auswirkungen der Formoptimierung einschließlich von Rotoreffekten zu bewerten. Die Vorteile aus der aerodynamischen Optimierung von Kipprotorkomponenten führten bereits zu einer Widerstandsreduktion von -4,5% bei Bedingungen in realer Größe. DREAM-TILT demonstrierte die Wirksamkeit des CFD-basierten Ansatzes für die Optimierung von Kipprotorkomponenten und ebnete so den Weg für die Konstruktion eines umweltfreundlicheren Kipprotors. Die Reduzierung des Rumpfwiderstandes wird erhebliche Auswirkungen in Bezug auf Effizienz und Kraftstoffverbrauch haben.
Schlüsselbegriffe
Widerstandsreduzierung, Kipprotor, Windkanaltests, Hubschrauber, DREAM-TILT, Rumpf, evolutionäre Multi-Parameter-Optimierung