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Die Verbindung der Biologie mit der Technik wird als Bionik bezeichnet. Zielsetzung ist hierbei die Nutzung der evolutionären Lösungen der Natur im Rahmen technischer Problemstellungen.
Flügelgeometrie, Flügelprofile, Randbogenfittiche NACHTIGALL/18/ hat im Jahre 1985 in seinem Buch die grundlegenden Erkenntnisse zum Vogelflug zusammenfassend dargestellt. Er unterscheidet die Gleiter in Land- und Meeressegler, was der Einteilung in den statischen und dynamischen Segelflug gleichkommt, dynam. Segelflug siehe TU- München. Die Flügelgeometrie von Land- und Meeresseglern unterscheiden sich wesentlich voneinander, Bild 6.1, während der Gefiederaufbau und die Flügelprofilierung starke Ähnlichkeiten aufweisen. In Bild 6.2 sind die wichtigsten Bezeichnungen der Flügelbefiederung zusammengestellt.
Bild 6.1: Flügelgeometrie von Land- und Meeresseglern /12/.
Bild 6.2: Bezeichnungen am Flügelgefieder /18/.
Meeressegler besitzen gegenüber den Landseglern eine etwa zweimal größere Streckung und eine starke Flügelzuspitzung, hingegen ist bei den Landseglern die Auffächerung der Flügelenden markant. Die Profilierung, Bild 6.3, ist grundsätzlich ähnlich und erinnert stark an einige Flügelprofile, die auch im Modellbau bekannt sind, JEDELSKY-Profile.
Bild 6.3: Flügelprofil einer Taube u. eines Steinkauzes /18/.
Charakteristisch für die Profilschnitte sind deren starke Wölbung, die große relative Dicke im vorderen Bereich des Profils und der z.T. kleine Nasenradius. Zum Profilende hin nimmt die Dicke stark ab und läuft in eine ebene, gewölbte Platte aus. Das Profilende ist hoch elastisch und passt sich in seiner Krümmung der Fluggeschwindigkeit an. Für den Albatros, der im dynamischen Segelflug Geschwindigkeiten bis zu 120 km/h erreicht, ist in Bild 6.4 das Profil wiedergegeben, deren Profilkoordinaten in Tabelle 6.1 angefügt sind. Für den Modellflug hat LISSAMANN /14/ ein angepasstes Albatros-Profil entworfen und die aerodynamischen Beiwerte berechnet, Bild 6.4 und Bild 6.5.
Bild 6.4: Albatros-Profil /8/, LISSAMANN 7769 /14/.
Tab. 6.1: Profilkoordinaten des Albatros-Profils /14/.
Bild 6.5: Aerodynamische Kennwerte des LISSAMANN-Profils 7769/14/.
Die extrem starke Wölbung im Nasenbereich, gepaart mit der großen Dicke, wirft die Frage auf, wie die Vögel es schaffen, dass die Strömung bei niedrigem und hohen Anstellwinkeln auf der Unter-, bzw. Oberseite ihrer Flügel nicht abreißt. JEDELSKY /8/, der auch eine intensive Forschung des Vogelfluges betrieben hat, erklärt das Nichtablösen der Strömung mit den hoch-elastischen Eigenschaften des Vogelgefieders. Dabei sind die Bereiche des Feingefieders und der Deckfedern von besonderer Bedeutung, Bild 6.6.
Bild 6.6: Gefieder einer Flügeloberseite. F = Feingefieder, D = Deckfedern, Schwungfedern, DR = Rumpfnahe Deckfedern /8/. Strömt die Luft über einen elastischen Vogelflügel, so beginnen die einzelnen Federn in Abhängigkeit des Anstellwinkels zu schwingen. JEDELSKY hat aus dieser Erkenntnis folgende Theorie für die Flügeloberseite entwickelt. Nimmt der Anstellwinkel zu, so verhindert das Feingefieder mit seinen Schwingungen einen Umschlag der Grenzschichtströmung vom laminaren in den turbulenten Zustand, womit der geringe Widerstand der Laminarströmung im gesamten Bereich des Druckabfalls genutzt wird. Das Feingefieder erstreckt sich bis zum höchsten Punkt des Flügels, danach beginnen die Deckfedern. Bei weiterer Anstellung schwingen diese Deckfedern, was einen kontrollierten Umschlag der laminaren Grenzschicht in die turbulente erzwingt. Diese turbulente Strömung ist erforderlich, damit die Strömung der abfallenden Kontur des Flügels folgen kann, Bild 6.7. Bild 6.7: Strömungszustände an einem Vogelprofil. A = steiler Profilanlauf verhindert Ablöseblase, B = Feingefieder erhält die laminare Grenzschicht, C = Deckfedern, D = laminare Grenzschicht, E = turbulente Grenzschicht /8/.
Wird der Anstellwinkelwinkel bis zu seinem Maximalwert erhöht, beginnt die Strömung von der Hinterkante des Flügels her abzureißen. Dieser Abreißvorgang wird jedoch durch das Aufrichten der Deckfedern begrenzt, die dann als Strömungsbremse wirken, Bild 6.8. Neuere Forschungen lassen vermuten, dass aufgrund der Luftdurchlässigkeit der Federn von der Unterseite der Flügel Energie auf die Oberseite gelangt und damit das Strömungsverhalten beeinflusst wird. Man könnte hier von natürlichen Blasturbolatoren sprechen. Im Bereich der Handfittiche sind die einzelnen Federn dünne, ungewölbte Platten. Sie sind längs der Profiltiefe auf einer gedachten Profilsehne angeordnet, die leicht gewölbt ist. Die Anzahl der Handfittiche beträgt 5 bis 8, Bild 6.8, und überdecken bei max. Spreizung einen Flügelbereich von etwa 15 bis 30%.
Bild 6.8: Handfittiche einiger Greifvögel /18/. Die aerodynamische Wirkung der Handfittiche, Randbogenfittiche lässt sich wie folgt deuten. Für den natürlichen Gleiter ist der Flug mit geringstem Energieaufwand lebenswichtig. Daraus lässt sich schließen, dass die Evolution die natürlichen Gleiter mit Flügeln ausgestattet hat, die einen hohen Auftrieb bei kleinen Widerständen ermöglichen. Das Maximum des Flügel-Auftriebes/-Auftriebsbeiwertes wird theoretisch bei einem Rechteckflügel erreicht. Aufgrund des Druckausgleichs am Flügelende ist dies jedoch in der Praxis nicht möglich, so dass an einem Rechteckflügel mit begrenzter Spannweite eine angenäherte elliptische Auftriebsverteilung erzwungen wird, die eine Reduzierung des Flügel-Auftriebsbeiwertes und eine Steigerung des Flügelwiderstandes bewirkt. Bei den natürlichen Gleiter schließt sich an den Basisflügel, häufig Rechteckflügel, der Bereich der Handfittiche an, in dem der Druckausgleich stattfindet . Die Auffächerung des Randbogenbereichs und die Höhenstaffelung der einzelnen Fittiche, die beim natürlichen Gleiter aufgrund von Luftkräften entsteht, bewirken neben einer Vergrößerung der Flügelfläche eine starke Verringerung des Randbogenwiderstandes, bzw. des indizierten Widerstandes und eine Vergrößerung des Flügelauftriebsbeiwertes, GERBER/5/, HUMMEL/6/.
Oberflächenstruktur, Rauhigkeit Eine Besonderheit des Vogelflügels stellt die Oberflächenbeschaffenheit der Federn dar, die NACHTIGALL als rau einstuft. Messwerte über die Rauhigkeit von Oberflächen an Vogelfedern gibt er nicht an. Es ist fraglich, ob diese Einstufung hier angemessen ist. Bild 6.9 zeigt den schematischen Feinbau und die fotografische Vergrößerung einer Vogelfeder. Ähnliche Oberflächenstrukturen findet man in der Technik bei Fliesen, wie sie bei Klettverschlüssen oder Dichtungen Verwendung finden. Die Auswirkungen der Feder-Fliese sieht NACHTIGALL in der Herabsetzung der kritischen Re-Zahl an Flügeln von Vögeln, mit den positiven Auswirkungen auf die Steigzahl und somit auf die Flugleistungen beim Kreisen in der Thermik.
Bild 6.9: Feinbau einer Vogelfeder /18/.
Optische Rauhigkeitsmessungen mit Hilfe des Perthometer-Concept-Verfahrens an einer Bussardfeder ergaben eine mittlere Rauhigkeit von Rz = 0,132 mm, Bild 6.10. Ein Relief der vermessenen Oberfläche zeigt Bild 6.11, RWTH - Aachen, Werkzeugmaschinenlabor .
Bild 6.10: Oberflächenrauhigkeit an einer Bussardfeder /3/.
Bild 6.11: Oberflächenrelief einer Bussardfeder /3/.
Setzt man voraus, dass die Rauhigkeitsbetrachtungen der Aerodynamik bei Vögeln Gültigkeit besitzen und errechnet die zulässige und die kritische Rauhigkeit nach SCHLICHTING/TRUCKENBRODT /20/, dann ergibt ein Vergleich der Ergebnisse mit der gemessenen Rauhigkeit folgende Konsequenzen:
In engem Zusammenhang mit der Rauhigkeit von Gefiedern stehen neuere Vermutungen über die Entstehung des Auftriebs an Flügeln von Insekten. Nach derzeitigem Kenntnisstand sollen hierbei Mikrowirbel eine zentrale Rolle spielen. Obwohl in der Technik Wirbel i.d.R. zur Verminderung des Widerstandes mit großem Aufwand vermieden werden, haben Wirbel bei Insekten offensichtlich eine andere Bedeutung. Ohne diese Mikrowirbel sollen Insekten nicht flugfähig sein /17/.
Elastizität und Aeroelastizität Die Flügel der natürlichen Segler sind keine starren Gebilde. In Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit entwölben sich die Flügel und damit die Profile als Folge der Einwirkung von Luftkräften. Die Vogelprofile werden deshalb als elastische Profile bezeichnet. Leistungsrechnungen, die anhand von Windkanalergebnissen ausgeführt wurden, haben gezeigt, dass bei kleinen Fluggeschwindigkeiten zwischen 5 m/s und 10 m/s die elastischen Profile den starren Profilen bzgl. der Profilgleitzahl und des Ablöseverhaltens überlegen sind, Bild 6.12, KNAPPE, WAGNER /9/.
Bild 6.12: Profilentwölbung u. Gleitzahl eines starren u. elastischen Profils /9/.
Wie leicht beim Flug der Vögel zu beobachten ist, biegen sich die Handfittiche an den Flügelenden je nach Flugsituation in sehr starkem Maße durch. In wie weit sich dabei die einzelnen Federn der Handfittiche in ihrer Wölbung und ihrer Anstellung verändern, ist nicht bekannt, dies ist jedoch zu vermuten, da bereits NACHTIGALL daraufhin weist, dass die Vögel ihre Flügelprofile den Flugbedingungen anpassen. Die aeroelastischen Eigenschaften der Handfittiche und der Deckfedern sind Gegenstand neuerer Forschungen an der TU- Berlin. Ausgangspunkt für diese Arbeiten waren u.a. Beobachtungen, dass sich Deckfedern am Vogelflügel beim Strömungsabriss entgegen der Strömung aufrichten und als Rückstrombremsen wirken, Bild 6.13.
Bild 6.13: Raubmöwe mit aufgerichteten Deckfedern /16/. Diese Rückstrombremsen, -taschen oder -keile bewirken eine Verminderung des Totwassergebietes bei abgelöster Strömung und eine wesentliche Vergrößerung des Anstellwinkelbereichs bei Maximalauftrieb an einem Flügel. Die qualitativen Strömungsvorgänge sind in Bild 6.14 dargestellt.
Bild 6.14: Qualitativer Strömungsvorgang ohne und mit Rückstrombremse /16/.
Voraussetzung für das Entstehen solcher Rückstrombremsen und deren Funktion ist eine ausreichende Elastizität und eine Porosität der Deckfedern in jenen Flügelbereichen, in denen ablösegefährdete Zonen liegen. Messungen der Biegefestigkeit an Arm- und Deckfeder ergaben, dass die Deckfedern im Gegensatz zu den Handfedern viel weicher sind. In Bild 6.15 sind der qualitative Verlauf der Biegesteifigkeit von Deckfedern und Handfedern gegenübergestellt. Deutlich wird, dass die Deckfeder bis auf deren Einspannungsbereich praktisch konstante und geringe Steifigkeit besitzt, was ein gutes Aufrichten der Deckfeder ermöglicht.
Bild 6.15: Qualitativer Festigkeitsverlauf von Arm(AS)- und Deckfedern(DS) /16/.
Als technische Nachbildung der Rückstrombremsen wurden auf der Oberseite eines Versuchsflügels, NACA 2412, verschiedene Klappen aus Fotokopierfolie und aus mit Stahldraht verstärkter Seide angebracht und bei einer Re-Zahl von 130.000 im Windkanal vermessen. Zwei Ergebnisse dieser Versuche zeigen Bild 6.16 und 6.17.
Bild 6.16: Modellflügel mit Seidenklappe, Auftriebs-/Widerstandsbeiwerte /16/.
Bild 6.17: Flügel mit Lochfolien-Streifenklappe, Auftriebs-/ Widerstandsbeiwerte /16/.
Stabilität und Steuerbarkeit Der Flug aller technischer Segler konventioneller Bauart wäre ohne ein ausreichendes Maß an statischer und dynamischer Stabilität um die Quer- und Hochachse nicht möglich. Ohne diese Stabilität wären der Pilot eines manntragenden Flugzeuges als auch ein Modellpilot ständig überlastet und das Fluggerät zum Absturz verurteilt. Es bedarf deshalb besonderer konstruktiver Maßnahmen, um eine Stabilität zu erreichen, die immer mit einer Begrenzung der Steuerbarkeit verbunden ist. Diese Stabilität bedeutet stets eine ungewollte und nicht zu vermeidende Widerstandszunahme, was eine Verminderung der Flugleistungen zur Folge hat. Während in den fünfziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts bereits erste Systeme in Flugzeugen zur Stabilisierung der Bewegung um eine Achse eingesetzt wurden, werden in neuerer Zeit Flugzeuge um mehrere Achsen künstlich stabilisiert, um deren Leistungsspektrum zu steigern. Grundlage hierfür ist meist ein geringes statisches Stabilitätsmaß oder ein indifferentes Gleichgewicht. Vögel besitzen nach derzeitigen Erkenntnissen eine Stabilität um ihre drei Achsen, die als indifferentes Gleichgewicht anzusehen ist. Dieser Gleichgewichtszustand zeichnet sich dadurch aus, dass eine Fluglage beibehalten wird, die als Folge eines Steuerimpulses eingenommen wurde. Weitere Steuerimpulse sind erforderlich, damit die vorher eingenommene Fluglage erneut geändert werden kann. Dieses indifferente Gleichgewicht erlaubt es den Vögeln, plötzliche Veränderungen ihrer Fluglage, ihrer Flugbahn und auch ihrer Fluggeschwindigkeit vorzunehmen. Diese plötzlichen Veränderung ihres Flugzustandes sind einerseits zur Nahrungsaufnahme oder zum Beuteschlagen und andererseits zur Gefahrenabwehr überlebensnotwendig. Vögel können deshalb ihre Flügel nach oben, nach unten, nach vorn und nach hinten verstellen, ihre Flügelfläche verkleinern, verschiedene Anstellwinkel wählen, die Flügel verwinden und auch noch ihren Schwanz in zwei Richtungen bewegen oder dessen Fläche verkleinern. Alle diese Maßnahmen sind beliebig kombinier- und unterschiedlich anwendbar. Hierzu ist ein hochempfindliches System von Sensoren und Stellgliedern vorhanden, welches den gesamten Körper der Vögel umfasst. Erst damit wird es ihnen möglich, auf alle Erfordernisse der verschiedenen Flugsituationen präzise und schnell mit geringstem Energieverbrauch zu reagieren, sie sind an alle Erfordernisse optimal angepasst, RÜPPELL/19/.
Leistungsdaten, Sinkpolare Alle Vögel bemühen sich, so weit erforderlich, mit einer hohen Gleitzahl zu fliegen, da sie mit ihrer Energie sparsam umgehen müssen. Wie schnell sie dabei fliegen müssen, entscheidet ihre Flächenbelastung. Es wäre nun aber falsch anzunehmen, dass alle Vögel mit hoher Flächenbelastung gute Gleiter sind, bzw. die mit geringer Flächenbelastung schlechte. Es gibt sowohl Vögel mit einer hohen Flächenbelastung, die schlechte Gleiter sind, als auch solche mit geringer Belastung, die gute Gleiter sind. Der Grund für diese scheinbare Widersprüchlichkeit liegt in der jeweiligen Lebenssituation, in der sich die Vögel befinden, denn an die sind sie aufgrund der Evolution optimal angepasst, RÜPPELL/19/. Bei der Beobachtung der natürlichen Segler fällt auf, dass sie im Thermikflug extrem enge Kurvenradien erfliegen und ihr Gleiten fasst bei jeder Windstärke erfolgt. Über die dabei vorliegenden Flugleistungen finden sich derzeit in der Literatur keine näheren Angaben. Um dennoch einen Einblick über die Flugleistungen zu erhalten, sind in Bild 6.18 vergleichende aerodynamische Werte segelnder Land- und Meeresvögel zusammengestellt. Neben der Gesamtpolaren ist auch die Sinkpolare hinsichtlich der Leistungsdaten von Seglern von Bedeutung. Bild 6.19 zeigt mehre gemessene und gerechnete Sinkpolaren von technischen Seglern und natürlichen Seglern. Obwohl diese z.T. schon älteren Datums sind, verschaffen sie doch einen ersten Überblick über die Flugleistungen einiger natürlicher Segler.
Bild 6.18: Aerodynamische Kenndaten von Land- u. Meeresseglern /12/.
Bild 6.19: Sinkpolaren natürlicher und technischer Segler im Vergleich/18/.
In Tabelle 6.2 sind geometrische und aerodynamische Daten von segelnden und gleitenden Vögeln zusammengestellt, die verschiedenen Literaturstellen entnommen worden sind. Es ist zu beachten, dass nicht festgestellt werden konnte, wie diese Daten entstanden sind und dass die Daten vermutlich Durchschnittswerte darstellen.
Tabelle 6.2: Geometrische u. aerodynamische Daten von Gleitern und Seglern.
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