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TU Berlin

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FluSAS - Fluidische Schlitzaktuatoren zur Autoritätssteigerung von Steuerflächen im Verbund AsSaM - Autoritätssteigerung von Steuerflächen durch aktive Maßnahmen

Abbildung 1: Versuchsmodell
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Ein Beitrag zu einer umweltfreundlicheren Luftfahrt kann von der Aerodynamik erbracht werden, indem die Autorität der Steuerflächen (Querruder, Seiten- und Höhenleitwerk) gesteigert wird. Die Kontrollautorität der Steuerflächen ist durch das Auftreten  von  Ablösungen  bei  großen Klappenausschlägen  limitiert.  Eine Strömungsbeeinflussung, die die Ablösung verhindert, führt zu einer besseren Wirksamkeit - die Steuerflächen können verkleinert werden, woraus sich eine Widerstandsreduktion und damit eine bessere Ökoeffizienz des Gesamtflugzeuges ergibt.

Im Rahmen des Verbundprojekts AsSaM sollen drei Konzepte zur Strömungskontrolle an Steuerflächen verfolgt und miteinander verglichen werden. Durch gezielte Auswahl der Leistungen und der Positionen der Aktuatoren soll das Ablöseverhalten in dem Teilvorhaben FluSAS kontrolliert und somit die Autorität von Steuerflächen gesteigert werden. Dafür werden von der TU Berlin fluidische Schlitzaktuatoren entwickelt, gebaut und unter anwendungsnahen Randbedingungen getestet. Zusätzlich zu den experimentellen Untersuchungen werden die Ergebnisse durch numerische Simulationen (DLR) erweitert, um ein besseres Verständnis der Interaktion zwischen Strömung und Aktuatorik zu erreichen und auch die Bewertung der verwendeten Methodik zu unterstützen.

Die erzielten Ergebnisse sollen als Grundlage für die weitere Forschung und Entwicklung zur aktiven Strömungsbeeinflussung an Steuerflächen dienen. Der Vergleich der unterschiedlichen Methoden der Strömungskontrolle im Verbund von experimentellen als auch numerischen Untersuchungen wird eine umfassende Datenbasis zur Bewertung der Konzepte und eine weitere Technologiereifung liefern.

Abbildung 2: Versuchsaufbau am GroWika
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Für die Experimente wurde am Institut für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin ein Modell eines Seitenleitwerks nach industriell relevanten Vorgaben konstruiert und gefertigt (vgl. Abbildung 1). Das Ruder ist drehbar gelagert und kann mit einem Schrittmotor verfahren werden. Mit sechs Druckbohrungsschnitten an verschiedenen Höhenpositionen lassen sich während des Einsatzes im großen Windkanal der TU Berlin (GroWiKa) Druckverteilungen messen. Zusätzlich werden mit einer Sechs-Komponentenwaage Kräfte und Momente in drei Raumrichtungen erfasst (vgl. Abbildung 2). Für die aktive Strömungskontrolle ist das Modell  mit insgesamt elf, einzeln ansteuerbaren Aktuatorsegmenten ausgestattet. Die interne Geometrie der fünf Segmente in der Vorderkante der Finne und der sechs Segmente in der Vorderkante des Ruders basiert auf dem Prinzip eines fluidischen Oszillators. Somit wird ein alternierend pulsierender Fluidstrahl von zwei benachbarten Austrittsschlitzen erzeugt.

Abbildung 3: Tuft-Visualisierung Vergleich AFC aus -links; AFC an - rechts
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Abbildung 4: Einfluss der Strömungskontroll am Ruder
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Erste qualitative Ergebnisse aus Tuft-Visualisierungen zeigten die Effektivität der Strömungskontrolle am Ruder des Leitwerksmodells (vgl. Abbildung 3). Ohne Aktuation ist die Strömung am Ruder komplett abgelöst wohingegen ein vollständiges Wiederanlegen der Strömung durch die Aktuatorik möglich ist. Zunächst wurden zahlreiche Kombinationen verscheidener Ruderaktuatoren bei unterschiedlichen Massenströmen untersucht. In Abbildung 4 ist der Einfluss der Strömungskontrolle am Ruder auf die Seitenkraft und den Widerstand dargestellt. Mit einem Impulsbeiwert von nur 0,27% ist bereits eine Leistungssteigerung im linearen Bereich als auch des Maximalwertes der Seitenkraft zu erzielen. Durch weitere Erhöhung des eingebrachten Impulses wird die Steuerfläche immer effektiver.

Abbildung 5: Einfluss der Strömungskontrolle an der Vorderkante der Finne
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In Abbildung 5 ist der Einfluss von zwei kombinierten aktiven Finnenaktuatoren dargestellt. Im Bereich kleiner Schiebewinkel ist keine signifikante Änderung festzustellen. Durch die Vorderkantenaktuatorik lassen sich allerdings bei höheren Schiebewinkeln eine höhere maximale Seitenkraft und ein geringerer Widerstand erzielen. Dies wird nochmals deutlich wenn das Gleitverhältnis über dem Schiebewinkel abgetragen wird. Um die Effizienz der Strömungskontrolle zu bewerten wird die AFM1 (first aerodynamic figure of merit) betrachtet. Wenn die Berechnung der AFM1 Werte größer 1 liefert, ist die Strömungskontrolle effizient. Es ist zu sehen, dass die Kombination von Segment LS1 und LS2 am effizientesten im Vergleich zu den anderen Kombinationen ist. Allerdings fällt die Kurve auch früher und stärker wieder ab. Die Kombination von Segment LS2 und LS3 ist hier über einen großen Schiebewinkelbereich effizient.

Abbildung 6: Einfluss der kombinierten Aktuatorik an Finne und Ruder im Vergleich zur reine Ruderaktuatorik
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In Abbildung 6 wird die reine Ruderaktuatorik mit kombinierter Finnen- und Ruderaktuatorik verglichen. Im Falle der kombinierten Strömungskontrolle wurde ein Teil der bereitgestellten Druckluft der Ruderaktuatorik entnommen und für zwei der Segmente in der Finne bereitgestellt. Durch die kombinierte Aktuatorik gibt es keine Negativeffekte. Im unteren Schiebewinkelbereich werden gleiche Ergebnisse erzielt wie bei der reinen Ruderaktuatorik. Im mittleren bis hohen Schiebewinkelbereich liefert die Kombination aus Vorder- und hinterkantenaktuation sogar höhere maximale Seitenkräfte, Gleitzahlen und eine positive Effizienz.

Ausblick

Abbildung 7: Ausblick - Untersuchungen des Strömungsfeldes mittels PIV
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Im weiteren Verlauf des Projekts wurde das Strömungsfeld mittels phasenaufgelösten PIV im Detail untersucht (Beispiel in Abbildung 7). Die Ergebnisse dieser Experimente werden die Grundlage für weitere Optimierungen liefern.

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