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Copyright © 2005 Diplomica Verlag GmbHISBN: 9783836622578

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Christian Brauner

Aerodynamische Auslegung, CFD Simulation und Proto-typenbau eines zweisitzigen Ultraleichtflugzeuges

Diplom.de

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Diplomarbeit

Christian Brauner

Aerodynamische Auslegung, CFD

Simulation und Prototypenbau

eines zweisitzigen Ultraleichtflugzeuges

Christian Brauner Aerodynamische Auslegung, CFD Simulation und Prototypenbau eines zweisitzigen Ultraleichtflugzeuges ISBN: 978-3-8366-2257-8 Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2009 Zugl. Fachhochschule Bielefeld - University of Applied Sciences, Bielefeld, Deutschland, Diplomarbeit, 2005 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtes.

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Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand in einer Zusammenarbeit des Werkzeugmaschinenlabors derFH Bielefeld und der Firma „Silence Aircraft“.

An erster Stelle gilt mein herzlicher Dank Herrn Prof. Dr. Dipl.-Ing. Paul Diekmann, dembetreuenden Professor dieser Arbeit, für die Anregungen zu dieser Arbeit und für dieRatschläge und Fachgespräche, sowie seine stete Unterstützung bei ihrer Durchführung.

Herrn Prof. Dr.-Ing Gerhard Weber möchte ich für die Diskussionen in Fragen derAerodynamik bedanken sowie die Unterstützung mit Fachliteratur.

Besonders möchte ich mich bei Thomas Strieker und Matthias Strieker, Inhaber der Firma„Silence Aircraft“, bedanken für die wertvollen Diskussionen, den Rat und die Möglichkeitenaller sämtlichen praktischen Arbeiten bei der Firma „Silence Aircraft“ durchzuführen, sowiedie Bereitstellung des in der Diplomarbeit verbrauchten Materials und Werkzeugs.

Bedanken möchte ich mich speziell bei Herren Roland Foth, Leiter des Werkzeug-maschinenlabors, der mir die Möglichkeit gab die Maschinen und Arbeitsplätze imWerkzeugmaschinenlabor zu nutzen. Mein Dank gilt ihm für die vielen kritischen Gesprächewährend der Diplomarbeit und meiner Studentischen Tätigkeit im Werkzeugmaschinenlabor.

Der abschließende besondere Dank gilt meinen Eltern die mir durch ihre Unterstützung dieseArbeit und mein Studium erst möglich gemacht haben.

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KurzfassungIn der folgenden Diplomarbeit wird ein zweisitziges Ultraleichtflugzeug entwickelt. DieBesonderheiten dieses Flugzeuges sind die ausgefeilte Aerodynamik und die leichteComposite Bauweise, die als Variantenkonstruktion von dem einsitzigen Flugzeug „Silence“übernommen wurden.

Im ersten Teil der Arbeit werden die Anforderungen und Funktionen nachkonstruktionssystematischen Gesichtspunkten erarbeitet. Das Flugzeug wurde in einzelneTeilmodule zerlegt, die nach den optimalen aerodynamischen Gesichtspunkten analytischausgelegt wurden. Die Kombination der ausgewählten Prinziplösungen führt zu einemendgültigen Gesamtentwurf.

Dieser gesamte Entwurf wird im zweiten Teil dieser Arbeit mittels der CFD-MethodeComputer Fluid Dynamik) numerisch untersucht und den Werten aus dem ersten Teil, deranalytischen Auslegung, gegenübergestellt.

Im dritten Teil der Diplomarbeit wird der Entwurf des zweisitzigen Flugzeuges als 1:4 Modellin die Praxis umgesetzt, um an ihm eine Flugerprobung durchzuführen. Der Fertigungsprozessdieses Modell wurde so gestaltet, dass aus ihm ein Fertigungsplan für die Umsetzung des 1:1Modells abgeleitet werden konnte. Dieses schloss zum einen die Bauweise in GFK-Wabensandwich (Glasfaser-Kunststoffverbund) mit ein, wie sowohl den Formbau, unterstütztmit der CAD/CAM Methode (Computer Aided Design, Computer Aided Manufactoring),Formen auf einer CNC-Fräse (Computer Numeric Controll) zu fertigen.

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Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung und Aufgabenstellung ..................................................................................8

Aerodynamische Auslegung…………………………………………………………………9

2. Allgemeine Vorgehensweise .......................................................................................10

3. Anforderungsliste ........................................................................................................11

4. Konstruktionssystematischer Ablauf ...........................................................................12

5. Rahmenbedingungen ...................................................................................................13

6. Gegebenheiten und Annahmen ...................................................................................14

7. Einführung eines Koordinatensystems ........................................................................15

8. Tragflügelauslegung ....................................................................................................168.1 Theorie von Auftrieb und Widerstand ..................................................................16

8.1.1 Die Entstehung des Auftriebs .......................................................................168.1.2 Die Entstehung des Widerstandes ................................................................18

8.2 Vorentwurfsüberlegungen .....................................................................................198.3 Auswahl eines Tragflächenprofils .........................................................................20

8.3.1 Ausgewählte Profile .....................................................................................228.3.2 Auswertung durch eine Entscheidungsmatrix ..............................................258.3.3 Spezielle Eigenschaften des ausgewählten Profils .......................................26

8.4 Detaillierte Auslegung des Flügels .......................................................................308.4.1 Geometrische Daten des Tragflügels ...........................................................308.4.2 Berechnung der Aerodynamik bei Stall-Speed ............................................328.4.3 Berechnung der Aerodynamik bei Reisegeschwindigkeit ...........................34

9. Auslegung des Höhenleitwerkes .................................................................................369.1 Vorentwurfsüberlegungen .....................................................................................369.2 Auswahl eines Höhenleitwerkprofils ....................................................................379.3 Festlegung der Geometrie des Höhenleitwerks .....................................................419.4 Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften ................................................42

10. Auslegung des Seitenruders ........................................................................................4410.1 Vorentwurfsüberlegungen .....................................................................................4410.2 Profilauswahl des Seitenruders .............................................................................4410.3 Festlegung der Geometrie des Seitenleitwerks .....................................................47

11. Entwurf des Rumpfs ....................................................................................................4811.1 Cockpitauslegung ..................................................................................................48

11.1.1 Ermittlung von Körpergrößen ......................................................................4911.1.2 Ermittlung der Sitzpositionen.......................................................................50

11.2 Gestaltung des Triebwerkbereiches ......................................................................5411.3 Auslegung des Leitwerkträgers .............................................................................55

11.3.1 Ermittlung der Gewichtskraft und der Schwerpunktlage .............................5611.3.2 Abschätzung der Längsstabilität ..................................................................59

11.4 Designstudien zur Rumpfform ..............................................................................6011.5 Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften des Rumpfs ............................64

12. Aerodynamische Eigenschaften der Flügel-Rumpf-Kombination ..............................68

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13. Auslegung der Klappensysteme ..................................................................................7013.1 Auslegung des Höhenruders..................................................................................7013.2 Auslegung des Seitenruders ..................................................................................7213.3 Auslegung des Querruders ....................................................................................7313.4 Auslegung der Landeklappen ................................................................................74

14. Überprüfung der Mindestgeschwindigkeiten ..............................................................7614.1 Für die LSA-Klasse ...............................................................................................7614.2 Für die BfU-Klasse................................................................................................76

15. Überprüfung der Steuerbarkeit und der Stabilitätslagen .............................................78

16. Abschätzung der Flugzeugpolare ................................................................................80

17. Flugleistung .................................................................................................................8217.1 Schwebeleistung ....................................................................................................8217.2 Startstrecke ............................................................................................................83

18. Erstellung des dreidimensionalen Modells .................................................................8418.1 Erstellung der Rumpfform ....................................................................................8418.2 Erstellung des Tragflügels, des Höhenleitwerks und des Seitenruders .................85

Strömungsanalyse………………………………………………………………………… 89

19. Beschreibung des allgemeinen Ablaufes einer numerischen Strömungsanalyse.......8819.1 Problemdefinition ..................................................................................................8919.2 Dimensionsanalyse ...............................................................................................9019.3 Auswahl des physikalischen Modells ..................................................................91

19.3.1 Turbulenzmodelle........................................................................................9119.3.2 Wandbehandlung.........................................................................................9319.3.3 Auswahl des Turbulenzmodells - Zusammenfassung .................................94

19.4 Auswahl der Lösungsmethode, Diskretisierung...................................................9519.5 Arbeitsablauf mit dem Programm CFX zur Lösung von Strömungsproblemen ..96

19.5.1 Preprocessing ..............................................................................................9619.5.2 Solutionmode ..............................................................................................9719.5.3 Postprocessing .............................................................................................9719.5.4 Zusammengefasster Arbeitsablauf der Strömungssimulation .....................98

19.6 Untersuchung zum Tragflächenprofil der „Silence“ ............................................9919.6.1 Preprocessing ..............................................................................................9919.6.2 Postprocessing ...........................................................................................100

19.7 Verifikation der Ergebnisse aus der Strömungssimulation ................................10319.7.1 Darstellung der Windkanalergebnisse .......................................................10319.7.2 Berechnung der Geschwindigkeitsverteilung am Profil nach der

Singularitätenmethode ................................................................................10419.7.3 Vergleich der Standardeinstellungen ........................................................10519.7.4 Einfluss des Netzes....................................................................................10519.7.5 Einfluss der Turbulenzmodelle .................................................................10619.7.6 Einfluss der Wandfunktionseinstellungen .................................................10619.7.7 Zusammenfassung zur Verifikation ..........................................................106

19.8 Untersuchungen zum Tragflügel ........................................................................10819.8.1 Preprocessing ............................................................................................10819.8.2 Postprocessing ...........................................................................................10919.8.3 Verifikation ...............................................................................................111

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19.9 Untersuchung zum gesamten Flugzeug..............................................................11219.9.1 Preprocessing ............................................................................................11219.9.2 Postprocessing ...........................................................................................11319.9.3 Verifikation ...............................................................................................116

19.10 Vergleichende Strömungssimulation ................................................................11719.10.1 Preprocessing ...........................................................................................11719.10.2 Postprocessing ..........................................................................................11819.10.3 Vergleich Einsitzer-Zweisitzer .................................................................121

19.11 Schlussbetrachtung zur Strömungsanalyse .......................................................121

Prototypenbau……………………………………………………………………………..124

20. Erstellen eines flugfähigen Prototyps .......................................................................12320.1 Der Formbau .......................................................................................................124

20.1.1 Aufbereiten der CAD Daten des Flugzeuges .............................................12420.1.2 Erstellen des Fräsprogramms .....................................................................12520.1.3 Bepasten der Formen ..................................................................................127

20.2 Das Herstellen der Strukturteile ..........................................................................13120.3 Zusammenbau und Ausrüsten des Modells .........................................................13420.4 Erste Flugerprobung ............................................................................................13620.5 Erstellung eines Fertigungsplans für den Formbau .............................................137

21. Das Konzept der „Silence“ im Vergleich zur Natur.................................................138

22. Schlusswort ...............................................................................................................139

23. Literaturverzeichnis ...................................................................................................140

24. Abbildungsverzeichnis ..............................................................................................141

25. Formelverzeichnis .....................................................................................................144

Anhang……………………………………………………………………………...….....148

Einleitung - Aufgabenstellung

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1. Einleitung und Aufgabenstellung

Aufgabenstellung:

Auslegung eines zweisitzigen Ultraleichtmotorflugzeugs unter der Vorgabe, dieFlugeigenschaften des bestehenden einsitzigen Flugzeuges „Silence“ beizubehalten.

Die Firma Silence Aircraft ist Hersteller des einsitzigen Ultraleichtmotorflugzeuges„Silence“. Dieses Flugzeug weist ein hohes Maß an innovativen Ideen auf, die in seineEntwicklung eingeflossen sind. Beispiele hierfür sind die Composit-Bauweise, dasSicherheitssystem (Monocoque), der Verstellpropeller und vieles mehr. Die Flug-eigenschaften der „Silence“ sind laut Artikeln in Fachzeitschriften exzellent und vergleichbarmit den Jagdflugzeugen aus dem zweiten Weltkrieg (Spitfire, Airacobra). Durch seineaerodynamischen Auslegungen - symmetrisches Flügelprofil, großes Seitenleitwerk, langerLeitwerkshebelarm - ist selbst Kunstflug mit der „Silence“ möglich. Es handelt sich hierbeialso um ein Flugzeug, welches als reines Sportflugzeug dem Piloten den Spass am Fliegenvermitteln soll. Viele Vorteile sprechen für das Konzept der „Silence“, aber es hat doch eineneklatanten Nachteil. In der einsitzigen Maschine lässt sich der Flugspass des Piloten mitniemandem teilen.Hier liegt also das große, zu erwartende Kundenpotential bei dem Entwurf eines innovativenKonzeptes für eine zweisitzige „Silence“, die die guten Flugeigenschaften des Einsitzersaufweist. Viele Piloten sind von der „Silence“ begeistert, möchten aber nicht denKompromiss schließen, ihren Flugspass nicht teilen zu können.

Aus diesem Grund sollen in die Auslegung des Zweisitzers die Innovationen undErfahrungen, die bei der Konstruktion des Einsitzers gemacht wurden, einfließen.

Bei der Auslegung des Zweisitzers ist also darauf zu achten, dass die Ähnlichkeiten deräußeren Form erhalten bleiben und das er beim Strömungsabriss, Rollen, Nicken und Gierenein ähnliches Flugverhalten aufweist. Bei der Variantenkonstruktion sollen bestimmteStrukturbauteile des Einsitzers erhalten bleiben. Das zweisitzige Flugzeug soll in dieRahmenbedingung der amerikanischen LIGTH-SPORT-AIRCRAFT Klasse fallen und dendeutschen Betriebstüchtigkeitsanforderungen für aerodynamisch gesteuerte Ultra-leichtflugzeuge entsprechen.

Aerodynamische Auslegung

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Aerodynamische Auslegung

Aerodynamische Auslegung/Allgemeine Vorgehensweise

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2. Allgemeine VorgehensweiseDie VDI-Richtlinie 2221 definiert einen Vorgehensplan und Einzelmethoden zumKonzipieren technischer Produkte. Sie schlägt ein generelles Vorgehen zum Entwickeln undKonstruieren vor. Dieser Vorgehensplan besteht aus sieben Schritten der Produktplanung. Imersten Schritt sieht diese Produktplanung das Klären und Präzisieren der Aufgabenstellungvor, welches in der Anforderungsliste geschieht. Im zweiten Schritt wird versucht, Funktionenund deren Strukturen zu erkennen. Auf unser Flugzeug angewandt, bedeutet dies, zuerkennen, das ein Flugzeug fliegt, weil es durch Luft angeströmt wird. Aus diesem Schrittresultiert die Funktionsstruktur. Der dritte Schritt ist die Suche nach Lösungsprinzipien undderen Strukturen. Hier stellt sich die Frage, warum und wie das Flugzeug angeströmt wird.Damit es angeströmt wird, muss es durch eine Vorrichtung, wie zum Beispiel einen Propeller,beschleunigt werden. Dies wäre eine prinzipielle Lösung. Nummer vier der auszuführendenSchritte ist die Gliederung der Aufgabe in Module. Hierzu ist in dieser Arbeit das Flugzeug indie Module Rumpf (Cockpit, Vorderrumpf und Leitwerksträger), Tragfläche, Höhenleitwerk,Seitenleitwerk und Klappensysteme aufgeteilt worden, die die so genannte Modulstrukturbilden. Die Gestaltung dieser Module ist Schritt Nummer fünf. Im Falle des Flugzeugeswürde hierunter die Auslegung der Tragflächen eingeordnet. Diese Einzellösungen werden imsechsten Punkt „der Gestaltung des Produkts“ zusammen gefügt. Hieraus ergibt sich dergesamte Entwurf. Im siebten und letzten Punkt wird die Produktentwicklung ausgearbeitetund der beschrittene Konstruktionsablauf in der Produktdokumentation festgehalten. [Vergl.Kon. S.22]

Abb. 1 Produktentwicklung, [Quelle: Kon. S.22]

Die allgemeine Vorgehensweise wurde zum Auslegen des Flugzeuges modifiziert. Siegliedert sich in die analytische, aerodynamische Auslegung, Untersuchungen diesesEntwurfes mit der CFD Methode und Bau eines Prototyps.

Aerodynamische Auslegung/Anforderungsliste

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3. AnforderungslisteZur Klärung der Aufgabenstellung wurde eine Anforderungsliste erstellt, die alle zurDarstellung der Konstruktion eines zweisitzigen Ultraleicht-Flugzeuges benötigtenInformationen enthält. Die Ziele der Aufgabenstellung werden in Forderungen (F) undWünsche (W) unterteilt.

Ausgabe Nr. 1 /4.05.2005

FH BielefeldSilence Aircraft

Anforderungsliste Blatt 1Seite 1

Datum F/W Anforderung Verantwortung

4.05.2005 F

F

F

F

F

F

F

F

W

F

F

Aerodynamische Auslegung eineszweisitzigen Sportflugzeuges

Entwicklung des Designs der äußerenForm des Flugzeuges

Erstellen eines Cockpit Konzeptes

Übernahme möglichst vielerStrukturbauteile der „Silence“

Die elliptische Flügelform Die elliptische Form des

Seitenruders Das symmetrische Höhenleitwerk-

profil LWK 80-150

Berechnung der aerodynamischenEigenschaften der entworfenenzweisitzigen Variante

Vergleich der aerodynamischen undflugmechanischen Eigenschaften der ein-und zweisitzigen Variante

Beachtung derLufttüchtigkeitsforderungen der DFS füraerodynamisch gesteuerteUltraleichtflugzeuge

Beachtung der amerikanischenAnforderungen der Light- Sport AircraftKlasse

Bau eines funkferngesteuerten Modellsdes Zweisitzers zur Überprüfung derrechnerischen Auslegung

Alle CAD Daten sollen mit demProgramm Solid Edge V15 erstelltwerden.

Technische Dokumentation

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

C.Brauner

Aerodynamische Auslegung/Konstruktionssystematischer Ablauf

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4. Konstruktionssystematischer AblaufBei der Konstruktion des Zweisitzers handelt es sich um eine Variantenkonstruktion desbestehenden, einsitzigen Flugzeuges. Deshalb unterscheidet sich der grundsätzliche Ablaufzur Konstruktion eines Flugzeuges von dem einer Neukonstruktion [Mue. S. 8-1]. GewisseFunktionsstrukturen und prinzipielle Lösungen sind bei der Variantenkonstruktionvorgegeben. Hierunter fallen, zum Beispiel, die Art der Konfiguration (Normal) und die Artder Bauweise (Composite). Betrachtet man den Vorgehensplan der VDI Richtlinie 2221 (Abb.1.), so ist es sinnvoll, das Flugzeug in Module und Teilsystem nach Funktionsstruktureneinzuteilen. Die Einteilung der Module und die Reihenfolge deren Auslegungen undLösungen wurden so gewählt, dass ein schlüssiger, konstruktionssystematischer Ablaufentstand. Das Flugzeug wurde in die Module Tragflügel, Höhenleitwerk, Seitenleitwerk,Rumpf und Klappensysteme eingeteilt. Bei der Auslegung der einzelnen Module wurde nachdem Schema vorgegangen, das im ersten Schritte (siehe Ablauf, Bezeichnung „a“), dieFunktion erklärend Dargestellt wurde um die Vor- und Nachteile von Einflussgrößengegenüberstellen zu können. Im zweiten Schritt wurden geometrische Auslegungsvariablenangenommen und Profile ausgewählt, (siehe Ablauf, Bezeichnung „b“ und „c“) die im drittenSchritt aerodynamisch untersucht wurden (siehe Ablauf, Bezeichnung „d“). Abschließendwurden die einzelnen Teilmodule zum Gesamtentwurf zusammen gefügt und in den Punkten8. bis 13. in ihrem Zusammenhang und ihrer Interaktion betrachtet.

Konstruktionssystematischer Ablauf:1. Rahmenbedingungen und Anforderung an den Zweisitzer2. Physikalische Gegebenheiten und Annahmen,3. Festlegung eines Koordinatensystems4. Auslegung des Tragflügels

a. Funktionsdefinition, Einflussgrößenb. Profilauswahlc. Bestimmung der geometrischen Abmaßed. Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften des Tragflügels

5. Auslegung des Höhenleitwerksa. Funktionsdefinition, Einflussgrößen, Vorentwurfsüberlegungenb. Profilauswahlc. Bestimmung der geometrischen Abmaßed. Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften des Höhenleitwerks

6. Auslegung des Seitenleitwerksa. Funktionsdefinition, Einflussgrößen, Vorentwurfsüberlegungenb. Profilauswahlc. Bestimmung der geometrischen Abmaßed. Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften des Seitenleitwerks

7. Auslegung des Rumpfesa. Auslegung des Cockpitsb. Gestaltung des Triebwerksbereichsc. Auslegung des Leitwerksträgersd. Ermittlung der Gewichtskraft und der Schwerpunktlagee. Abschätzung der Längsstabilitätf. Designstudien zur Rumpfformg. Auslegung und Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften des Rumpfes

8. Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften der Flügel Rumpfkombination9. Auslegung der Klappensysteme10. Bestimmung des Stabilitätsverhaltens11. Abschätzung und Berechnung der Flugzeugpolare12. Berechnung der Flug-, Start- und Landeleistungen13. Erstellung eines dreidimensionalen CAD Modells