Strömungssimulation Wie Hubschrauber schneller fliegen könnten

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Helikopter haben ihren Vorteil im senkrechten Starten, können durch den hohen Luftwiderstand des Rotors aber nicht schnell fliegen. Abhilfe sollen eine aerodynamisch formoptimierte Rotorkopfverkleidung und Tragflächen bringen – getestet am Demonstrator Racer.

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Visualisierung der turbulenten Strukturen in der Umgebung des Rotorkopfs. Auf Basis dieser Strömungssimulation konnte die Form des Rotorkopfes so designt werden, dass die Strömung möglichst lange anliegend bleibt und nur kleine Verwirbelungen entstehen.
Visualisierung der turbulenten Strukturen in der Umgebung des Rotorkopfs. Auf Basis dieser Strömungssimulation konnte die Form des Rotorkopfes so designt werden, dass die Strömung möglichst lange anliegend bleibt und nur kleine Verwirbelungen entstehen.
(Bild: TU München)

Mit dem Demonstrator Racer (Rapid And Cost-Effective Rotorcraft) will ein internationales Team unter der Leitung von Airbus Helicopters (AH) ein Fluggerät entwickeln, das eine Geschwindigkeit von 400 km/h im Vorwärtsflug erreicht und leiser sowie umweltfreundlicher ist als bisherige Hubschrauber. Daher besitzt der Racer als Besonderheit nicht nur einen Rotor, sondern auch Tragflächen wie ein Flugzeug, um aerodynamisch effizient Auftrieb zu erzeugen und den Rotor zu entlasten.

Projekt Furado optimiert Rotorkopf

Bei der hohen Reisegeschwindigkeit spielt auch die Aerodynamik des Hubschraubers eine große Rolle. Daher hat Airbus zusammen mit Forschern der TU München im Projekt Furado (Full Fairing Rotor Head Aerodynamic Design Optimization) eine aerodynamische Verkleidung für den Rotorkopf entwickelt. Während für den Rumpf schon optimierte Geometrien existierten, gab es für den Rotorkopf noch keine formoptimierte Lösung. Furado ist Teil des Clean Sky 2-Programms der EU, dessen Ziel es ist, technologische Entwicklungen für eine umweltfreundlichere Luftfahrt zu fördern.

Die Aerodynamik des Rotors ist komplex: Die Drehbewegung des Rotors führt zu einer permanenten Änderung der Anströmbedingungen am Rotorblatt. Es entsteht dabei sowohl die sogenannte anliegende Strömung, die der Kontur des Objektes folgt, als auch die sogenannte abgelöste Strömung, die einen besonders hohen Widerstand hat. Im Rotorkopfbereich existieren an der Schnittstelle zu den Rotorblättern stumpfe Kanten, die zur Strömungsablösung und zu Verwirbelungen führen.

Aerodynamische Rotorkopfverkleidung designt

Am Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik werden Simulationen solcher komplexen aerodynamischen Prozesse mithilfe moderner Software und Berechnungsmethoden durchgeführt. Um bei der Strömungssimulation ein verlässliches Ergebnis zu bekommen, müssen viele Einstellgrößen richtig gewählt werden. Schließlich konnte die Form des Rotorkopfes so designt werden, dass die Strömung möglichst lange anliegend bleibt und nur kleine Verwirbelungen entstehen. Im Zuge des Projektes wurde auch eine Optimierungskette für die aerodynamische Gestaltung von Geometrien entwickelt. Diese könnte theoretisch auch für die Entwicklung von Verkleidungen anderer Rotormodelle angewendet werden. Nun ist geplant, die entwickelten Rotorkopfverkleidungen zu fertigen und am Flugdemonstrator zu testen, ob die realen Verbesserungen der Aerodynamik auch wirklich den simulierten Ergebnissen entsprechen.

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