Intelligenter Hubschrauber im Anflug
Das Projekt COMROTAG (Development and testing of computational methods to simulate helicopter rotors with active gurney flap) war Teil des Gemeinschaftsunternehmens Clean Sky (Clean Sky Joint Undertaking). Das Team konzentrierte sich auf Systeme mit aktiven Klappen (active flap) an Hubschrauber-Rotorblättern. Die Bereitstellung dieser Systeme ist aufgrund der durch die Rotorblattrotation erzeugten enormen Kräfte keine leichte Aufgabe. Unter Einsatz von Computersimulationen und Windkanalversuchsdaten überprüfte das Projektteam die Konfiguration dieser Aktoren unter verschiedenen Flugbedingungen. „Während der Flugsimulationen wurden die Rotorblattverstellungen so justiert, dass die gewünschte Schubkraft und die vom Rotor erzeugten Momente erzielt wurden. Die genannte Leistungsbelastung wurde zum Vergleich verschiedener Bauformen verwendet“, erläutert Forschungsleiter Dr. Wienczyslaw Stalewski vom Instytut Lotnictwa in Polen. Aktive Gurney-Klappen Aus den in der Entwicklung befindlichen Konzepten für intelligente Rotorblätter wurde im Rahmen des integrierten Technologiedemonstrators für umweltfreundliche Drehflügler (Green Rotorcraft Integrated Technology Demonstrator) von Clean Sky die aktive Gurney-Klappe (Active Gurney Flap) ausgewählt. Diese Wahl beruhte auf ihrer potenziellen Einflussnahme auf die Leistungsfähigkeit des Hubschraubers und seine Stufe der technologischen Reife. Mit dem aktiven Einsatz von Gurney-Klappen an der Rückzugsseite der Rotorblätter wird die Auftriebskraft des Drehflüglers sowie dessen Gesamtleistung verbessert. Diese Technologie befindet sich bereits in einem fortgeschrittenen Stadium der Entwicklung. Für ihre Validierung sind jedoch rechnerische Untersuchungen und Windkanalversuche an den Rotorblättern erforderlich. „Ziel von COMROTAG war die Bewertung der Vorteile von aktiven Gurney-Klappen an den Rotorblättern im Rahmen von realen Hubschrauberflügen“, erklärt Dr. Stalewski. Neben der Berücksichtigung der verschiedenen involvierten aerodynamischen Kräfte musste das Projektteam Kombinationen der Erweiterungsstufen für den Mechanismus, die Luftströmungsrichtung und die Geschwindigkeit ermitteln. „Glücklicherweise konnten Schwierigkeiten bei der Reproduktion des dynamischen Deep-Stall-Zustands eines vollmaßstäblichen, zurückweichenden Rotorblatts überwunden wurden, und wir erreichen außerdem eine Trimmung des Hubschrauberrotors in diesem gefährlichen Flugzustand. Das erforderte deutlich mehr Rechenaufwand als dynamische Flugsimulationen ohne Strömungsabriss“, fügt er hinzu. Numerische Strömungsmechanik im Flug Das am Instytut Lotnictwa in der Entwicklung befindliche Simulationsmodul „virtueller Rotor“ wurde zwecks genauer Modellierung von Rotorblatt-Feathering und Flapping sowie der zyklischen Bewegung der aktiven Gurney-Klappen modifiziert. Dieser Satz benutzerdefinierter Funktionen wurde mit der kommerziellen CFD-Software Ansys Fluent (Computational Fluid Dynamics) verknüpft, die im Allgemeinen in der Luftfahrttechnik eingesetzt wird. „Die Klappenbewegung wurde durch lokale Verformungen des umgebenden Rechengitters wiedergegeben. Die Gitterverformungsmethode wurde speziell für COMROTAG entwickelt und erwies sich als eine erfolgreiche Alternative zu überlappenden Gitternetzmethoden“, berichtet Dr. Stalewski. Die Simulationsergebnisse sind wertvolle Vorgaben für die an der Realisierung von aktiven Gurney-Klappen an Rotorblättern arbeitenden Forscher. Es können Versuche an Hubschraubern geplant werden, um zu Flugbedingungen zu gelangen, bei denen die Vorteile stärker ausgeprägt sind oder gefährliche Situationen im Sinne der Flugsicherheit vermieden werden.“ Man geht nun davon aus, dass das neue Berechnungsverfahren die Entwicklung von Lösungen für Antriebssysteme fördern wird, welche die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie in den Punkten Langlebigkeit sowie Zuverlässigkeit erfüllen werden. So wird schon bald die nächste Generation intelligenter Hubschrauber den Himmel erobern.
Schlüsselbegriffe
intelligenter Hubschrauber, Smart Helikopter, COMROTAG, Active Gurney Flap, Computational Fluid Dynamics, numerischen Strömungsmechanik, Luft- und Raumfahrtindustrie
