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Support to aerodynamic analysis and design of propellers of a compound helicopter

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Fortgeschrittene Strömungsdynamiksimulationen entfesseln das Potenzial des neuen Hochgeschwindigkeitshubschraubers „RACER“

Die Idee, ein Luftfahrzeug zu schaffen, das so schnell wie ein Flugzeug fliegt, aber auch wie ein Hubschrauber schweben kann, ist nichts neues, es wurde bislang jedoch noch nicht die kommerzielle Phase erreicht. Das EU-finanzierte Projekt PROPTER adressiert die ungewöhnlichen strömungsdynamischen Herausforderungen, die dieses Konzept konstruktionstechnisch mit sich bringt.

Verkehr und Mobilität

Das Konstruktionsverfahren des Drehflüglers gestaltet sich aus mehreren Gründen schwierig: die Tragfähigkeit für die Nutzlast muss verbessert, der Treibstoffverbrauch verringert und die Reichweite des Luftfahrzeugs erhöht werden. Im Rahmen des Forschungsprogramms Clean Sky 2 stellen Flugzeugkonstrukteure ein neues Verbundhubschrauberdesign fertig, das einen Vorwärtsschub mit vertikalem Auftrieb kombiniert. Der neue Hubschrauber-Demonstrator überbrückt die Kluft zwischen herkömmlichen Hubschraubern und Starrflüglern. Der Verbunddrehflügler-Demonstrator namens RACER ist einer von zwei Demonstratoren, die über die innovative Luftfahrzeug-Demonstrationsplattform „Fast Rotorcraft“ von Clean Sky entwickelt werden. Die für Flugreisen bei mehr als 400 Kilometern pro Stunde (216 Knoten) optimierten Luftfahrzeuge sind um 50 % schneller als herkömmliche Hubschrauber und zielen auf eine Kostensenkung um 25 % pro Strecke ab. Das Luftfahrzeug wird dabei die Wendigkeit und Schwebefähigkeit eines herkömmlichen Hubschraubers behalten.

Die Strömungsdynamik für diesen komplexen Aufbau entschlüsseln

Das EU-finanzierte Projekt PROPTER geht auf die komplexen strömungsdynamischen Wechselwirkungen ein, die sich durch den RACER-Verbundhubschrauber ergeben, um die Effizienz und Geschwindigkeit der nächsten Generation von Drehflüglern entscheidend zu verbessern. Das Projekt wird über PROPTER, ein Konsortium zwischen dem Staatlichen Raumfahrtzentrum der Niederlande (NLR) und der TU Delft, in einem durch Airbus Helicopters vorgegebenen Rahmen durchgeführt. Der Verbundhubschrauber ist mit einer Vielzahl strömungsdynamischer Oberflächen ausgestattet, darunter ein Überkopf-Rotor (wie bei herkömmlichen Hubschraubern), Tragflächen mit niedrigem Seitenverhältnis und die beiden an den Tragflächenspitzen installierten Propeller sowie Höhenleitwerke. Zusammen liefern diese Komponenten die Kräfte und Momente, die für den Reiseflug, den Schwebflug, die Autorotation und Manöver erforderlich sind. Die Propeller (auch als seitliche Rotoren bezeichnet) werden über dieselben Turbomotoren angetrieben, die den Rotor antreiben. „Ein tiefgreifendes Verständnis der wechselseitigen Strömungsfelder ist entscheidend für den Erfolg des Verbundhubschraubers“, bemerkt Bambang Soemarwoto, leitender Wissenschaftler bei NLR. „Die starken wechselseitigen Strömungsfelder, die zwischen den an den Tragflächen montierten Propellern, dem Überkopf-Rotor und dem Flugwerk entstehen, müssen genau quantifiziert werden, da diese erheblich von den individuellen Komponenteneigenschaften abweichen können“, merkt Soemarwoto an. Über PROPTER wurden unter Verwendung der fortschrittlichsten Software zur Berechnung der Strömungsdynamik und Hochleistungsrechen-Clusteranlagen, die derzeit verfügbar sind, groß angelegte Computersimulationen mit höchster Originaltreue durchgeführt. Das Projekt offenbarte mehr über die beteiligte Strömungsphysik und führte über die Nutzung von ENFLOW – ein am NLR in verschiedenen europäischen und nationalen Forschungsprogrammen entwickelter Forschungskodex – zu verlässlichen numerischen Zahlen. Darüber hinaus adressierte PROPTER die Propellerkonstruktion, um den Treibstoffverbrauch und letztlich die CO2- und NOx-Emissionen zu senken.

Das spannende Potenzial des Verbundhubschraubers

„Für die Luftfahrt Europas kann dieser Drehflügler Flüge zwischen Städten wie Paris und London oder Paris und Brüssel in weniger als einer Stunde möglich machen, einschließlich des zusätzlichen Vorteils eines Senkrechtstarts und einer Senkrechtlandung für die städtische Erreichbarkeit selbst auf unebenen Oberflächen“, bemerkt Soemarwoto. Für medizinische Notfallflüge bedeutet dies, dass eine schnellere und weitere Erreichbarkeit hilfsbedürftiger Personen möglich ist, wobei das Einsatzprofil der „goldenen Stunde“erweitert wird. PROPTER etablierte fundiertes Wissen um die komplexe Strömungsdynamik des Verbundhubschraubers, damit dieser vielseitige Fähigkeiten bieten kann. Die Bedeutung der Arbeit von PROPTER lässt sich in den Worten von Jean-Michel Billig, dem ehemaligen Vizepräsidenten für Forschung und Entwicklung von Eurocopter, wie folgt veranschaulichen: „Mehrere Verbundhubschrauber sind seit den 1950ern geflogen, doch keiner hat es auf den Markt geschafft. Warum es also erneut versuchen? Die heutigen Rechen- und Simulationskapazitäten helfen uns enorm.“ Der RACER-Verbundhubschrauber soll 2020 abheben.

Schlüsselbegriffe

PROPTER, Verbundhubschrauber, Drehflügler, RACER, Staatliches Raumfahrtzentrum der Niederlande (NLR), Berechnung der Strömungsdynamik, Hochleistungsrechnen

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