Bionik und Tragflächen

[Pyrospeuz]

Guten Tag

 

im Moment bin ich (schon wieder ;-)) mit einer Schularbeit beschäftigt. Es geht um Bionik, also was der Mensch der Natur abschaut und in Technik umsetzt.

Ich vergleiche Vögel mit Flugzeugen bzw. was gleich ist und was nicht.

 

Nun zu meiner Frage:

Vögel haben auf der Oberseite der Flügel so genannte Deckfedern. Diese werden beim Fliegen in hohen Anstellwinkeln ausgefahren, bzw. vom restlichen Teil des Flügels abgespreizt. (Das sieht dann so aus wie Speedbrakes)

Bei Flugzeugen blockieren die Speedbrakes ja die Strömung über der Tragfläche, sodass kein Auftrieb mehr entsteht.

Bei den Vögeln wirken diese Deckfedern jedoch dem Stall entgegen.

Wenn die Strömung abreisst, bildet sich auf der Flügeloberseite eine Rückströmung, die gegen die Flugrichtung dem Tragflächenquerschnitt entlang fliesst und so die restliche Strömung weiter abschneidet.

Die Deckfedern der Vögel verhindern, bzw. blockieren diese Rückströmung. So können Vögel mit extrem hohen Anstellwinkeln fliegen, ohne dass die Strömung abreisst.

Bei einem Flugzeug ist es ja meines Wissens undenkbar, in einer Stallsituation die Speedbrakes auszufahren.

Warum hat das ausfahren der Deckfedern bei Vögeln einen stallhemmenden Effekt, bei Flugzeugen jedoch nicht?

 

Danke für die Hilfe.

 

Roman

[LH 404]

Hallo Roman,

 

interessantes Thema!

Hast Du ein Bild, auf dem man diese (abgespreizten) Deckfedern sieht? Bzw. in welchem Flugabschnitt verwendet ein Vogel diese "Technik"?

 

Ich frage deshalb:

Du machst ein, zwei Annahmen (Deckfedern Vogel = Speedbrake Flugzeug; Deckfedern wirken beim Vogel dem Stall entgegen), die Du als gegeben zu betrachten scheinst, obwohl diese Annahmen vielleicht gar nicht stimmen - und ziehst aus diesen Annahmen später evtl. falsche Schlüsse bzw. begibst Dich in eine Sackgasse... verstehst Du, was ich meine?

[Tuesday]

Warum hat das ausfahren der Deckfedern bei Vögeln einen stallhemmenden Effekt, bei Flugzeugen jedoch nicht?

 

Hallo Roman

 

Die Deckfedern bei Vögel würde ich nicht mit Speedbreaks sondern mit den Flaps in Verbindung setzen. Habe dazu einen interessanten Link gefunden:

 

http://www.bionik.tu-berlin.de/user/giani/klappen/evo.html

 

Gruss Daniel

[Pyrospeuz]

Danke euch beiden für die Antworten. Genau das, was in Daniels Link beschrieben ist, meine ich. (Da hat es auch noch ein Bild) Diese Federn werden meistens im "Landeanflug der Vögel" verwendet. Einfach dann, wenn Vögel mit hohem Anstellwinkel fliegen.

 

Dass die Deckfedern des Vogels eher dem Flaps beim Flugzeug entsprechen, ist für mich logisch. Ich verstehe nur nicht, warum die Speedbrakes (die ja auf dem Flügel etwa an gleicher Stelle positioniert sind wie die Deckfedern auf fem Vogelflügel)

nicht auch dem Stall entgegenwirken.

Warum verliert der Vogel de Auftrieb nicht, wenn diese Federn "ausfahren" wie ein Flugzeug, wenn es Speedbrakes setzt?

 

Gruss Roman

[Flusirainer]

Die Federn kann man ja nicht mit brettartigen Klappen vergleichen.

Die Federn sind luftdurchlässig und biegsam.Die Speedbrakes weder das eine noch das andere.Vor den Speedbrakes wird die Luft gestaut,dahinter ensteht ein Vakuum.Beides erhöht den Luftwiderstand.Die gestaute Luft bremst direkt,wärend das Vakum,auf Grund des Bestrebens der Luft einen Druckausgleich zu erzielen,den Flieger quasi nach hinten saugt.

 

Bei den Federn enstehen,auf Grund ihrer Luftdurchlässigkeit,dieser Stau und das Vakuum nicht,bzw treten kaum in Erscheinung.Unter den Federn bildet sich ein Luftpolster,das von den biegsamen Federn oben abgegrenzt wird.So entsteht im Prinzip ein Flügel mit stärkerer Wölbung auf der Oberseite.

[Volume]

Die FVA hat in den späten 70ern bzw frühen 80ern mal auf dem TwinAstir I sogenannte "Rückströmklappen" getestet. Das waren dünne Plastikstreifen mit Tesascharnier kurz vor der Endleiste, die sich bei anfangender Ablösung (Rückströmung auf der Flügeloberseite) selbtständig aufstellen und die Region abgelöster Strömung begrenzt. Damit wurde die Stallspeed gesenkt und das Überziehen insgesamt deutlich harmloser. Den Begriff Bionik kannte man damals noch nicht, funktioniert hat es trotzdem. Sehr praktikabel ist das ganze aber nicht, da es auf Rudern kaum geht und relativ empfindlich ist. Außerdem kostet es im normalen Geschwindigkeitsbereich Leistung.

Fazit: Die Natur hat ein paar gute Erfindungen, aber nicht alle davon passen in unser typisches Anforderungsprofil. Wir müssen selten in Nestern mit Landebahnlänge Null landen.

 

Gruß

Ralf

[Pyrospeuz]

Danke für die weiteren beiträge.

Als die FVA an der TwinAstir 1 Klappen getestet hat, warum war die Wirkung nicht die gleiche wie bei den Speedbrakes?

Die Klappen auf der Astir waren ja nicht luftdurchlässig.

Ich sehe den Unterschied zwischen Rückströmklappen und Speedbrakes nicht ganz (vom physikalischen Aspekt her) und warum sie verschiedene Wirkungen haben. Beides sind dioch einfach Klappen, die auf der Flügeloberseite ausgefahren werden.

 

Vielen Dank für weitere Hilfe.

 

Gruss Roman

[LH 404]

Ich habe mir zu dem angesprochenen Projekt mal diese Dissertation angeschaut.

 

Mir fallen dabei zwei Unterschiede zwischen Speedbrakes und Rückstromklappen auf:

1.) Die Lage der Klappen: Speedbrakes befinden sich weiter vorne am Profil, die Rückstromklappen, so wie es mir scheint erst sehr weit hinten am Profil. Da jedes Stück Profil, an dem die Strömung noch anliegt, wichtig für die Erzeugung des Auftriebs ist, greifen Speedbrakes hier massiv ein und stören die Strömung schon an Stellen, an denen sie eigentlich noch anliegt. Die Rückströmklappen werden durch ihre hintere Lage im Idealfall erst dort eingesetzt, wo die Strömung bei großen Anstellwinkeln sowieso schon abgelöst ist.

2.) Der Winkel, bis zu dem die Klappen ausgefahren wird: Sieht es bei Speedbrakes so aus, als würden sie bis fast 90° senkrecht zum Flügelprofil ausgefahren, so scheinen die Rückstromklappen nur bis zu einem kleinen Winkel ausgefahren werden. Entsprechend stark wird hier auch wieder die Strömung durch die Speed Brakes "gestört" (=Auftrieb vernichtet), bei den Rückstromklappen möchte man aber die bereits abgelöste Strömung quasi noch positiv beeinflussen (=Auftrieb vergrößern).

 

Der Bereich der Aerodynamik ist übrigens sehr spannend, gerade weil er stellenweise noch in den Kinderschuhen steckt. Gerade in der numerischen Simulation ist es noch sehr schwierig, bei hohen Reynoldszahlen (wie sie bei Verkehrsflugzeugen auftreten) instationäre Effekte zu berechnen - das geht selbst mit aktuellen Superrechnern noch nicht zufriedenstellend "genau" bzw. innerhalb eines vernünftigen Zeitraums!

[Berchi]

Ich bin zwar kein Aerodynamik-Akademiker, aber folgendes ist mir aufgefallen:

Diese werden beim Fliegen in hohen Anstellwinkeln ausgefahren, bzw. vom restlichen Teil des Flügels abgespreizt.

Diese Federn werden meistens im "Landeanflug der Vögel" verwendet.

Ich sehe den Unterschied zwischen Rückströmklappen und Speedbrakes nicht ganz

Min Tipp: Überleg dir nochmals ganz genau, was du mit den Begriffen "ausgefahren", "abgespreizt", "verwendet" in den obigen Zitaten meinst. Das klingt für mich als wenn du sagtest, dass der Vogel diese Federn bewusst, d.h. mit Muskelkraft "ausfährt", "abspreizt" oder "verwendet". Das ist aber meines Wissens nicht so und entspricht auch nicht der Biegung der Federn; die Federn werden passiv von der Luftströmung (nicht aktiv durch Muskelkraft) "angehoben" oder meinetwegen "angesaugt", so wie das der Ralf auch in seinem Beispiel erwähnt. Speedbrakes werden aktiv, d.h. durch Gestänge/Seilzug/Hydraulik in den Luftstrom hinein bewegt (nicht durch den Luftstrom hineingesogen), um die Strömung bewusst zu stören.

 

Grüsse,

Berchi

[Pyrospeuz]

Vielen Dank Johannes

Nun verstehe ich das Ganze viel besser.

Ich habe auch ein PDF File verwendet, um Erklärungen zu finden. Aber das, welches du verlinkt hast, ist och viel besser:)

 

Ich wünsche noch allen einen schönen Abend.

 

Gruss Roman

[Hunter58]

Ich glaube du musst die Federn mit Wirbelerzeugern wie in den folgenden Bildern vergleichen:

 

hier

 

hier

 

Diese Wirbelerzeuger dienen dazu im Langsamflug die Stroemung zu stabilisieren und damit die Flaps/Ruder/wasauchimmer effektiver zu machen. Die Vogelfedern machen eigentlich dasselbe, nur sind sie nicht fix eingebaut sondern flexibel.

[fm70]

Ich sehe den Unterschied zwischen Rückströmklappen und Speedbrakes nicht ganz

Ort und Grösse.

 

Wie immer, wenn's um Aerodynamik geht: Vergiss die Airliner und alle coolen englischen Wörter und schau mal beim nächsten Segelflugplatz rein. :cool: Seit Jahrzehnten haben alle Segelflugzeuge im hinteren Drittel des Flügels Turbulatoren. Das mag im Detail zwar nicht eins zu eins das selbe sein, aber die Idee ist schon etwa die gleiche. Da siehst Du dann auch, dass der Unterschied zu den Bremsklappen (aka "speed brakes") unübersehbar ist. Bei Motorflugzeugen, bei denen der ganze Flügel ein einziger grosser Turbulator und das ganze Flugzeug eine einzige riesige Luftbremse ist, ist der Unterschied natürlich nicht so offensichtlich. :D

 

Es gibt auch Segelflugzeuge, die haben an Stelle der Turbulatoren eine Grenzschichtausblasung. Das wären dann die luftdurchlässigen Federn.

[YvesHeller]

Ich glaube du musst die Federn mit Wirbelerzeugern wie in den folgenden Bildern vergleichen:

 

hier

 

hier

 

Diese Wirbelerzeuger dienen dazu im Langsamflug die Stroemung zu stabilisieren und damit die Flaps/Ruder/wasauchimmer effektiver zu machen. Die Vogelfedern machen eigentlich dasselbe, nur sind sie nicht fix eingebaut sondern flexibel.

 

Die Wirbelerzeuger (engl. vortex generator) dienen dazu, energiereiche Luft in die Grenzschicht zu bringen. Dies führt zu einer späteren Ablösung.

Somit können höhere Anstellwinkel geflogen werden was natürlich einen höheren Auftrieb und eine tiefere Landegeschwindigkeit generiert.

 

Da die VGs aber auch Formwiderstand haben führen sie zu einer Widerstandszunahme. Also entweder langsamer fliegen oder halt mehr Schub...

 

Das ganze ist bei Vögeln halt elegant da sie eingefahren werden können.

 

Grüsse Yves