Aerodynamik der Überflügel-Propeller-Konfiguration

Kurzfassung Diese Arbeit befasst sich mit der Propellerintegration an einem leisen, reiseflugeffizienten und kurzstartfähigen Verkehrsflugzeug, das als Konzept zur Nutzung kleiner Flughäfen in Stadtnähe geeignet ist. Während die konventionelle Zugpropeller-Flügel-Konfiguration hauptsächlich im Sinne einer Referenz analysiert wird, richtet sich der Fokus auf einen neuar-tigen, eingebetteten Überflügel-Propeller. Diese an den sogenannten Channel Wing angelehnte Integration zielt auf eine Abschirmung des Propellerlärms und eine effiziente Auftriebsstei-gerung bzw. hohe Gleitzahl beim Start ab. Die vorliegende Studie soll zeigen, dass die Flug-leistung der Referenzkonfiguration in keinem der wesentlichen Betriebspunkte unterschritten wird. Zur Erarbeitung aerodynamischer Grundlagen findet die Analyse mit Hilfe von stationä-ren und instationären numerischen Strömungssimulationen bei Start- und Reiseflugbedingun-gen statt, für die vereinfachte Modelle beider Konfigurationen verwendet werden. Die Propel-lermodellierung erfolgt einerseits durch eine Wirkscheibe und andererseits durch die tatsäch-lich drehende Blattgeometrie. Beim Start mit großem Schubbeiwert und intern angeblasener Hochauftriebsklappe zeigt der Channelwing eine Verdopplung der Gleitzahl gegenüber der Zugpropeller-Konfiguration, da die Saugwirkung des Überflügel-Propellers einen erheblichen Schub an der Nase der Flügelmulde induziert. Dieser Effekt ist derart stark, dass trotz des ca. 20% geringeren Propellerwirkungsgrades aufgrund der hohen Zuströmgeschwindigkeit über dem Tragflügel ein 2,5° höherer Steigwinkel und eine 14% kürzere Startstrecke erreicht wird. Die instationären Simulationen deuten darauf hin, dass die Blattspitzenwirbel und die periodi-schen Druckschwankungen zu einer großflächigen Ablösung der hinteren Mulde führen. Die-ser lokale Strömungsabriss an der Klappe, der einem unangepassten Profilentwurf geschuldet ist, verhindert jeglichen Auftriebsgewinn durch Propellerintegration, der mit Wirkscheibe hingegen erheblich ist. Im Reiseflug schwächt sich der positive Effekt der Widerstandsver-minderung aufgrund des geringen Schubbeiwerts, der Kompressibilitätseffekte sowie des rela-tiv starken Einflusses der Antriebsgondel deutlich ab. Da sich das Defizit im Propellerwir-kungsgrad trotz der im Vergleich zum Startfall geringeren relativen Übergeschwindigkeit nicht erholt, verliert der Channelwing schon bei moderaten Fluggeschwindigkeiten um Ma = 0,6 ca. 16% Vortriebseffizienz bzw. Reichweite. Während dieser Verlust bei Ma = 0,4 nur noch ca. 5% beträgt, nimmt er mit steigender Machzahl, auch aufgrund von instationär auftre-tenden Stößen auf den Propellerblättern, weiter zu. Es wird jedoch genügend Verbesserungs-potenzial identifiziert, dass ein mit Überflügel-Propeller ausgestattetes Flugzeug zumindest auf kurzen Strecken mit geringeren Anforderungen an die Reisegeschwindigkeit eine lärmarme Alternative darstellen kann.