Hintergrund: Strömungsuntersuchungen

Für Segel- und Leichtflugzeuge gibt es diverse Möglichkeiten zur Strömungsuntersuchung im Flugversuch. Diese sind im Wesentlichen:

  1. Anstrichbilder
  2. Wollfäden
  3. Infrarot-Kamera
  4. Grenzschicht-Mikrofone
  5. Nachlaufrechen
  6. Heißfilm-Sensorik

Einfache Strömungsvisualisierungen

Bei den ersten beiden Varianten geht es um die Visualisierung der Wandstromlinien, die dem kundigen Betrachter einen guten Einblick in den Zustand der Wandgrenzschicht erlaubt. Beide basieren auf dem Prinzip des Impulsaustausches der Luft mit dem jeweiligen Visualisierungs-Medium, also der Farbe bzw. den Wollfäden. Daher wird sich dieses Medium immer entlang der direkt an der Wand vorherrschenden Strömung ausrichten und somit deren Richtung genau anzeigen.

Bei Anstrichbildern wird die Farbe üblicherweise so angemischt, dass sie im Verlauf des Fluges trocknet und das Bild so konserviert, dass es nach der Landung fotografiert werden kann. Somit ist eine Videokamera nicht notwendig (aber dennoch sinnvoll). Bei der Verwendung von Wollfäden ist eine Videokamera natürlich obligatorisch. Je nach Sorgfalt der Anwendung können Anstrichbilder einen deutlich tieferen und genaueren Einblick in die Strömung liefern; so lassen sich Ablösungen genauer detektieren und auch ein turbulentes Wiederanlegen sichtbar machen. Wollfäden dienen wiederum nur zur Visualisierung von Ablösungen; eine exakte Bestimmung der Ausdehnung ist schwierig und die Visualisierung der laminar-turbulenten Transition unmöglich. Dafür bieten Wollfäden den Vorteil, dass sich pro Flug mehrere Strömungszustände untersuchen lassen. Beide Verfahren sind relativ einfach zu handhaben, liefern schnell Ergebnisse und werden entsprechend häufig eingesetzt.

Infrarot-Thermographie

Infrarot-Kameras zeigen die Temperatur des gefilmten Materials an. Da turbulente Grenzschichten sehr viel impulsreicher sind als ihre laminaren Pendants und daher einen deutlich besseren Wärmeaustausch zwischen Wand und Strömung sicherstellen, kann man mit solchen Kameras die Grenze zwischen beiden Strömungsbereichen – die sog. Transitionslinie – sehr genau bestimmen, sofern ein hinreichend großer Temperaturunterschied zwischen Wand und Strömung vorherrscht. Ablöseblasen können allerdings nicht visualisiert werden, weil der Wärmeaustausch in der Blase demjenigen der davor liegenden, belasteten Grenzschicht stark ähnelt. Als weiterer Negativpunkt schlagen die schlechte Verfügbarkeit solch komplexer (und teurer) Kameras zu Buche. Dennoch kann sich die Verwendung lohnen, etwa bei Bauteilen, die sich nicht für Anstrichbilder eignen, wie z.B. Haube, Fahrwerk oder Bauteilverschneidungen. Entsprechende erfolgreiche Versuche gab es bereits u.a. von den Akafliegs Braunschweig und Dresden.

Grenzschicht-Mikrofone

Grenzschicht-Mikrofone dienen dem gleichen Zweck wie die Infrarot-Thermographie, nämlich der Lokalisierung der Transitionslinien. Sie werden allerdings selten eingesetzt, weil sie eine Reihe von Nachteilen haben, denen kaum Vorteile gegenüberstehen.

Nachlauf-Messungen

Der Nachlauf-Rechen ist eine der schärfsten Waffen der Flugmesstechnik, weil er – anders als die obigen Visualisierungstechniken – auch quantitative Daten liefert. Mit einem solchen Rechen lässt sich der Druck im Nachlauf des Flügelprofils messen. Aus dem Druckverlust im Nachlauf (im Vergleich zur Umgebung) lässt sich direkt auf den Profilwiderstand zurückrechnen. Die Messtechnik ist jedoch sehr aufwändig. Das DLR und das IFF betreiben gemeinsam einen der ganz wenigen (wenn nicht den einzigen) Nachlaufrechen für Flugmessungen an Leichtflugzeugen, die Mobile ProfilMessanlage (MoProMa).

Heißfilm-Sensorik

Heißfilm-Sensoren sind kleine, in die Wand eingebettete, beheizte Sensoren, die – ebenso wie die Infrarot-Thermographie – den Wärmeaustausch messen. Damit lässt sich auf den Gradienten der Strömungsgeschwindigkeit an der Wand zurückschließen, der ein direktes Maß für die Wandschubspannung (sprich: den Reibungswiderstand) ist. Anders als bei der Infrarot-Thermographie liefern Heißfilm-Sensoren somit quantitative, aber lokal beschränkte Daten. Zudem muss natürlich ein Profil-„Handschuh“ gebaut werden, in den Sensorik und Verkabelung eingebettet werden und der auf den Tragflügel aufgezogen wird. Außerdem ist das benötigte elektrische und elektronische Zusatz-Equipment recht umfangreich, so dass der Aufwand nicht zu vernachlässigen ist.

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