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Aerodynamische Auslegung, CFD Simulation und Prototypenbau eines zweisitzigen Ultraleichtflugzeuges

Aerodynamische Auslegung, CFD Simulation und Prototypenbau eines zweisitzigen Ultraleichtflugzeuges
Über dieses Buch
  • Art: Diplomarbeit
  • Autor: Christian Brauner
  • Abgabedatum: Dezember 2005
  • Umfang: 152 Seiten
  • Dateigröße: 7,5 MB
  • Note: 1,0
  • Institution / Hochschule: Fachhochschule Bielefeld - University of Applied Sciences Deutschland
  • Bibliografie: ca. 18
  • ISBN (eBook): 978-3-8366-2257-8
  • Sprache: Deutsch
  • Prämierung:
  • Arbeit zitieren: Brauner, Christian Dezember 2005: Aerodynamische Auslegung, CFD Simulation und Prototypenbau eines zweisitzigen Ultraleichtflugzeuges, Hamburg: Diplomica Verlag
  • Schlagworte: Aerodynamik, CFD, Composite Material, Ultraleichtflugzeug, Strömungssimulation

Diplomarbeit von Christian Brauner

Einleitung:

Die Firma Silence Aircraft ist Hersteller des einsitzigen Ultraleichtmotorflugzeuges „Silence“. Dieses Flugzeug weist ein hohes Maß an innovativen Ideen auf, die in seine Entwicklung eingeflossen sind. Beispiele hierfür sind die Composit-Bauweise, das Sicherheitssystem (Monocoque), der Verstellpropeller und vieles mehr. Die Flugeigenschaften der „Silence“ sind laut Artikeln in Fachzeitschriften exzellent und vergleichbar mit den Jagdflugzeugen aus dem zweiten Weltkrieg (Spitfire, Airacobra). Durch seine aerodynamischen Auslegungen - symmetrisches Flügelprofil, großes Seitenleitwerk, langer Leitwerkshebelarm - ist selbst Kunstflug mit der „Silence“ möglich. Es handelt sich hierbei also um ein Flugzeug, welches als reines Sportflugzeug dem Piloten den Spaß am Fliegen vermitteln soll. Viele Vorteile sprechen für das Konzept der „Silence“, aber es hat doch einen eklatanten Nachteil. In der einsitzigen Maschine lässt sich der Flugspass des Piloten mit niemandem teilen.

Hier liegt also das große, zu erwartende Kundenpotential bei dem Entwurf eines innovativen Konzeptes für eine zweisitzige „Silence“, die die guten Flugeigenschaften des Einsitzers aufweist. Viele Piloten sind von der „Silence“ begeistert, möchten aber nicht den Kompromiss schließen, ihren Flugspass nicht teilen zu können.

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

Bei der Auslegung des Zweisitzers ist also darauf zu achten, dass die Ähnlichkeiten der äußeren Form erhalten bleiben und das er beim Strömungsabriss, Rollen, Nicken und Gieren ein ähnliches Flugverhalten aufweist. Bei der Variantenkonstruktion sollen bestimmte Strukturbauteile des Einsitzers erhalten bleiben. Das zweisitzige Flugzeug soll in die Rahmenbedingung der amerikanischen LIGTH-SPORT-AIRCRAFT Klasse fallen und den deutschen Betriebstüchtigkeitsanforderungen für aerodynamisch gesteuerte Ultraleichtflugzeuge entsprechen.

Inhaltsverzeichnis:

Inhaltsverzeichnis 3
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 16
8.1 Theorie von Auftrieb und Widerstand 16
8.1.1 Die Entstehung des Auftriebs 16
8.1.2 Die Entstehung des Widerstandes 18
8.2 Vorentwurfsüberlegungen 19
8.3 Auswahl eines Tragflächenprofils 20
8.3.1 Ausgewählte Profile 22
8.3.2 Auswertung durch eine Entscheidungsmatrix 25
8.3.3 Spezielle Eigenschaften des ausgewählten Profils 26
8.4 Detaillierte Auslegung des Flügels 30
8.4.1 Geometrische Daten des Tragflügels 30
8.4.2 Berechnung der Aerodynamik bei Stall-Speed 32
8.4.3 Berechnung der Aerodynamik bei Reisegeschwindigkeit 34
9. Auslegung des Höhenleitwerkes 36
9.1 Vorentwurfsüberlegungen 36
9.2 Auswahl eines Höhenleitwerkprofils 37
9.3 Festlegung der Geometrie des Höhenleitwerks 41
9.4 Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften 42
10. Auslegung des Seitenruders 44
10.1 Vorentwurfsüberlegungen 44
10.2 Profilauswahl des Seitenruders 44
10.3 Festlegung der Geometrie des Seitenleitwerks 47
11. Entwurf des Rumpfs 48
11.1 Cockpitauslegung 48
11.1.1 Ermittlung von Körpergrößen 49
11.1.2 Ermittlung der Sitzpositionen 50
11.2 Gestaltung des Triebwerkbereiches 54
11.3 Auslegung des Leitwerkträgers 55
11.3.1 Ermittlung der Gewichtskraft und der Schwerpunktlage 56
11.3.2 Abschätzung der Längsstabilität 59
11.4 Designstudien zur Rumpfform 60
11.5 Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften des Rumpfs 64
12. Aerodynamische Eigenschaften der Flügel-Rumpf-Kombination 68
13. Auslegung der Klappensysteme 70
13.1 Auslegung des Höhenruders 70
13.2 Auslegung des Seitenruders 72
13.3 Auslegung des Querruders 73
13.4 Auslegung der Landeklappen 74
14. Überprüfung der Mindestgeschwindigkeiten 76
14.1 Für die LSA-Klasse 76
14.2 Für die BfU-Klasse 76
15. Überprüfung der Steuerbarkeit und der Stabilitätslagen 78
16. Abschätzung der Flugzeugpolare 80
17. Flugleistung 82
17.1 Schwebeleistung 82
17.2 Startstrecke 83
18. Erstellung des dreidimensionalen Modells 84
18.1 Erstellung der Rumpfform 84
18.2 Erstellung des Tragflügels, des Höhenleitwerks und des Seitenruders 85
Strömungsanalyse 89
19. Beschreibung des allgemeinen Ablaufes einer numerischen Strömungsanalyse 88
19.1 Problemdefinition 89
19.2 Dimensionsanalyse 90
19.3 Auswahl des physikalischen Modells 91
19.3.1 Turbulenzmodelle 91
19.3.2 Wandbehandlung 93
19.3.3 Auswahl des Turbulenzmodells - Zusammenfassung 94
19.4 Auswahl der Lösungsmethode, Diskretisierung 95
19.5 Arbeitsablauf mit dem Programm CFX zur Lösung von Strömungsproblemen 96
19.5.1 Preprocessing 96
19.5.2 Solutionmode 97
19.5.3 Postprocessing 97
19.5.4 Zusammengefasster Arbeitsablauf der Strömungssimulation 98
19.6 Untersuchung zum Tragflächenprofil der „Silence“ 99
19.6.1 Preprocessing 99
19.6.2 Postprocessing 100
19.7 Verifikation der Ergebnisse aus der Strömungssimulation 103
19.7.1 Darstellung der Windkanalergebnisse 103
19.7.2 Berechnung der Geschwindigkeitsverteilung am Profil nach der Singularitätenmethode 104
19.7.3 Vergleich der Standardeinstellungen 105
19.7.4 Einfluss des Netzes 105
19.7.5 Einfluss der Turbulenzmodelle 106
19.7.6 Einfluss der Wandfunktionseinstellungen 106
19.7.7 Zusammenfassung zur Verifikation 106
19.8 Untersuchungen zum Tragflügel 108
19.8.1 Preprocessing 108
19.8.2 Postprocessing 109
19.8.3 Verifikation 111
19.9 Untersuchung zum gesamten Flugzeug 112
19.9.1 Preprocessing 112
19.9.2 Postprocessing 113
19.9.3 Verifikation 116
19.10 Vergleichende Strömungssimulation 117
19.10.1 Preprocessing 117
19.10.2 Postprocessing 118
19.10.3 Vergleich Einsitzer-Zweisitzer 121
19.11 Schlussbetrachtung zur Strömungsanalyse 121
Prototypenbau 124
20. Erstellen eines flugfähigen Prototyps 123
20.1 Der Formbau 124
20.1.1 Aufbereiten der CAD Daten des Flugzeuges 124
20.1.2 Erstellen des Fräsprogramms 125
20.1.3 Bepasten der Formen 127
20.2 Das Herstellen der Strukturteile 131
20.3 Zusammenbau und Ausrüsten des Modells 134
20.4 Erste Flugerprobung 136
20.5 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

Bei Bedarf senden wir Ihnen gerne unverbindlich eine Textprobe zu.

Arbeit zitieren:
Brauner, Christian Dezember 2005: Aerodynamische Auslegung, CFD Simulation und Prototypenbau eines zweisitzigen Ultraleichtflugzeuges, Hamburg: Diplomica Verlag

Schlagworte:
Aerodynamik, CFD, Composite Material, Ultraleichtflugzeug, Strömungssimulation

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