Aerodynamische Auslegung, CFD Simulation und Prototypenbau eines zweisitzigen Ultraleichtflugzeuges
- 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
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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 |
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Link zur Arbeit:
http://www.diplom.de/ean/9783836622578
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Aerodynamik, CFD, Composite Material, Ultraleichtflugzeug, Strömungssimulation




