Aerodynamik

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Auftrieb

Es gibt zwei Kräfte, die in der Luftfahrt ausgenutzt und beide Auftrieb genannt werden: der aerodynamische Auftrieb und der statische Auftrieb. Der statische Auftrieb bewirkt, dass Ballons fliegen und Schiffe schwimmen. Die Fähigkeiten eines Fluggeräts bei der Ausnutzung des statischen Auftriebs sind begrenzt. Um die Nutzlast zu erhöhen, müsste eine Ballonhülle oder die Tragflächengröße bei Flugzeugen immer weiter vergrößert werden. Dem sind Grenzen gesetzt. Sollen Nutzlast, Flugleistungen und Flugeigenschaften steigen, muss wie beim Flugzeug geschehen, auf ein anderes Prinzip der Auftriebserzeugung zurückgegriffen werden; den aerodynamischen Auftrieb. Der aerodynamische Auftrieb wird durch die verschiedenartigen Profilformen der Tragflächen erreicht. Um Auftrieb zu erhalten, muss die anströmende Luft, bedingt durch das Tragflächenprofil, die Oberseite mit einer höheren Geschwindigkeit (längere Wegstrecke) als die Unterseite überströmen. Dadurch herrscht auf der Oberseite ein höherer dynamischer Druck als auf der Unterseite. Der statische Druck ist auf der Oberseite jedoch kleiner (Bernoulli) als auf der Unterseite. Da der statische Druck eine auf die Fläche bezogene Kraft darstellt, ergibt eine Multiplikation des (mittleren) Drucks mit der Fläche eine Kraft, die senkrecht zur Fläche wirkt. Wegen des höheren stat. Drucks an der Flügelunterseite zeigt die resultierende Kraft (Auftrieb) nach oben. Durch den niedrigeren stat. Druck an der Flügeloberseite stellt sich zusätzlich ein Sogeffekt ein. Der Auftrieb ist in jedem Geschwindigkeitsbereich am Tragflächenprofil immer nahezu (abgesehen von Umweltbedingen Störeinflüssen) gleich groß. Der Auftrieb wird bestimmt durch die Dauer der anliegenden Luftströmung (laminare und turbulente Luftströmung) auf der Tragfläche; d.h. je länger die Luftströmung über die Tragfläche strömt, desto weiter hinten auf der Tragfläche befindet sich der Punkt, an dem die laminare Luftströmung in die turbulente Luftströmung umschlägt (Umschlagpunkt). Am Ablösepunkt reißt die turbulente Strömung endgültig von der Tragfläche ab. Diese beiden Punkte bestimmen die Größe des Auftriebs in den einzelnen Geschwindigkeitsbereichen. Je weiter hinten diese Punkte auf dem Tragflächenprofil liegen, desto größer ist der Auftrieb. Im Langsamflug werden Auftriebserhöhende Mittel (z.B. Landeklappen, Vorflügel usw...) eingesetzt, um ein nach vorn wandern der beiden genannten Punkte auf dem Tragflächenprofil zu kompensieren und ein abreißen der Luftströmung zu verhindern.

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Druck

Druckarten

Statischer Druck (Umgebungsdruck):

Der statische Druck entsteht durch die Masse einer Säule (Gas oder Flüssigkeit), die durch die Schwerkraft auf ihrer Grundfläche lastet. Der statische Druck ist direkt messbar.

Dynamischer Druck (Staudruck):

Der dynamische Druck ist eine kinetische Energie eines Körpers mit einer Masse, welcher sich mit einer Geschwindigkeit (Fluggeschwindigkeit) fortbewegt. Der dynamische Druck ist nicht direkt messbar und wird zur Geschwindigkeitsmessung verwendet.

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Widerstand

Induzierter Widerstand:

Zwischen Ober-, und Unterseite des Tragflügels entsteht ein unterschiedlicher statischer Druck. Der statische Druck auf der Unterseite fällt zur Flügelspitze hin ab, dadurch erfahren die Stromlinien eine Querbewegung in Richtung Flügelspitze. Auf der Oberseite des Tragflügels ist der größere statische Unterdruck in der Mitte des Flügels, deshalb geht die Querbewegung der Stromlinien von der Flügelspitze weg. Die entgegen gesetzten Querbewegungen erzeugen so genannte Wirbelzöpfe und Randwirbel. 

Hinter den Tragflächen von Großflugzeugen bilden sich regelrechte Wirbelschleppen, die sich einige Minuten in der Luft halten können. Die Abwinde die dabei entstehen, können kleineren Sportflugzeugen sehr gefährlich werden.

Maßnahmen zur Randwirbel-Verringerung:
Gestaltung der Flügelfläche (Tiptank, Winglets), Flügelgeometrie, große Streckung der Tragflächen (schwer, schlechte Manövrierbarkeit), Schränkung
Schränkung:
geometrische Schränkung: gleiches Profil (Rotorblatt), anderer Einstellwinkel aerodynamische Schränkung: gleicher Einstellwinkel, verschiedene Profile kombinierte Schränkung: Anwendung von geometrischer und aerodynamischer Schränkung (Propellerblatt)

Interferenzwiderstand:

Um den Gesamtwiderstand eines Luftfahrzeuges zu erhalten, genügt es nicht, die Summe der Widerstände der einzelnen Bauteile und Anbauteile zu addieren, vielmehr muss die gegenseitige Beeinflussung (Interferenz) einkalkuliert werden. Das Strömungsbild eines einzelnen Körpers wird durch die Annäherung oder den Anbau eines weiteren Körpers verändert. Diese Veränderung kann eine Steigerung (positive Interferenz-schlecht Flugeigenschaften) oder eine Verringerung (negative Interferenz-gute Flugeigenschaften) des Gesamtwiderstandes zur Folge haben.

FWinterf  =  FWgesWindkanal  -  S FWeinzel

 

weitere Widerstandsarten:

Reibungswiderstand:
entsteht durch Reibung der Luft an der Körperoberfläche, abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit, Luftdichte, Strömung, Viskosität, Geschwindigkeit, Fläche, wenig Reibung
Profilwiderstand:
Druckwiderstand und Reibungswiderstand ergeben den Profilwiderstand eines Strömungskörpers.
Druck-, Formwiderstand:
entsteht durch Abriss der Strömung, abhängig von Form, Geschwindigkeit, Fläche, Art der Strömung  (turbulent bzw. laminar), viel Reibung

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Aerodynamische Gesetzmäßigkeiten:

der Satz von Bernoulli:

In der Gesetzmäßigkeit von Bernoulli wird der Energiesatz für strömende Medien beschrieben. Er besagt, dass die Summe der unterschiedlichen Energieformen innerhalb einer Strömung konstant bleibt. Die Gesamtenergie der Strömung setzt sich aus dem statischen Druck, dem dynamischen Druck (von Geschwindigkeit und Dichte abhängig), sowie der von der Höhe abhängigen potenziellen Energie zusammen. Allerdings berücksichtigt der Satz von Bernoulli nicht die Kompressiblität der Luft und kann daher nur für Berechnungen bis ca. Mach 0,4 herangezogen werden. Darüber hinaus wird "Bernoulli" für Berechnungen zu ungenau obwohl die Gesetzmäßigkeit auch bei allen größeren Geschwindigkeiten gültig ist.

Die Summe aus statischem und dynamischen Druck ist bei inkompressiblen Strömungen konstant.

 

Kontinuitätsgesetz:

Der Kontinuitätssatz ist im Gegensatz zu "Bernoulli" immer anwendbar. Demnach ist der Massendurchsatz (z.B. Luft) durch einen Querschnitt (z.B. eine Stromröhre) immer gleich. Das heißt vereinfacht: was vorn hinein geht, kommt hinten auch wieder raus. Wird bei konstanter Dichte der Querschnitt (der Stromröhre) vergrößert, reduziert sich die Strömungsgeschwindigkeit. Wird der Querschnitt reduziert, vergrößert sich die Geschwindigkeit (vergleichbar mit einem Wasserschlauch der am vorderen Ende etwas zusammen gedrückt wird). Bei einer stationären Strömung muss infolgedessen durch jeden Querschnitt der Stromröhre in der gleichen Zeiteinheit die gleiche Masse strömen. Die Querschnitte verhalten sich immer umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit.

m = A * v * roh = konst.

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