03.05.2017
Erschienen in: 04/ 2017 aerokurier

Wirbel um die WirbelMü 31 der Akaflieg München: Neue Flügel-Rumpf-Übergänge

Mit der neuen JS3 Rapture in der eher seltenen Schulterdecker-Konfiguration ist Jonker Sailplanes ein Überraschungscoup gelungen. Was steckt hinter dem ungewöhnlichen Flügel-Rumpf-Übergang, der auch bei der Mü 31 der Akaflieg München besonders ausgeprägt ist?

Wenn die konventionelle Profilentwicklung für Tragflügel nur noch marginale Fortschritte ermöglicht, muss bei der Entwicklung leistungsstärkerer Segelflugzeuge Widerstand gespart werden, wo es nur geht. Einen gar nicht so neuen Ansatzpunkt bietet da der Interferenz-widerstand, der zwischen Flügel und Rumpf entsteht.

Bei der frühen Generation von Faserverbundflugzeugen hat das zu ganz kuriosen Exemplaren geführt. Bei Schempp-Hirth setzte Klaus Holighaus 1976 den Flügel eines Standard Cirrus auf einen Pylon deutlich über den Rumpf. Der Pylon-Cirrus hatte einen auf der Oberseite durchgehenden Flügel und sollte somit über eine ideale elliptische Auftriebsverteilung verfügen. Nur auf der Unterseite gab es die Widerstand erzeugenden Verschneidungen mit dem Pylon. Der Pylon-Cirrus wurde damals „Baby Cirrus“ genannt. Klaus Holighaus hatte ihn kurzfristig gebaut, um in der Diskussion mit der Firma Grob über den geplanten Speed Astir mit geprüfter Meinung aufwarten zu können. Der Speed Astir sollte damals einen hochgesetzten Flügel bekommen. Die Vergleichsflüge von Klaus Holighaus mit dem Baby Cirrus brachten anscheinend keinen Vorteil für diese mechanisch doch sehr viel aufwendigere Flügelanordnung. Deshalb kam dann der Speed Astir in Mitteldecker-Anordnung heraus.

Sechs Jahre später flog Pat Beat-ty, Südafrika, seine B 6 ein, ein Offene-Klasse-Flugzeug mit 22 Meter Spannweite in Hochde-ckeranordnung und aufwölbbarem Eppler-Profil. Da sich das Aufwölben im Flug mechanisch doch nicht zufriedenstellend lösen ließ, flog die B 6 später als konventioneller Wölbklappenflieger.

Hansjörg Streifeneder nutzte Erkenntnisse aus Windkanaluntersuchungen von Professor Loek Boermans an der TU Delft für sein Standard-Klasse-Projekt Albatros. Dem Albatros, der noch auf seine Vollendung wartet, wachsen die Flügel aus einer Mitteldeckeranordnung zunächst nach schräg oben aus dem Rumpf, um erst dann in die Horizontale überzugehen. Im Modell ist das ambitionierte Projekt schon geflogen. Mit den ersten Entwurfs- und Konstruktionsüberlegungen war Streifeneder bereits 1993 gestartet.

Ende der 1990er Jahre führte Loek Boermans die Untersuchungen mit der Akademischen Fliegergruppe München fort. Die Akaflieg wollte sich mit dem Projekt Mü 31 vor allem der Minimierung des Interferenzwiderstandes zwischen Rumpf und Flügel widmen. Der Prototyp basiert auf der Schleicher ASW 27 und unterscheidet sich von dieser aerodynamisch nur im Bereich des Flügel-Rumpf-Übergangs, sodass ein direkter Vergleich mit dem konventionellen Mitteldecker möglich wird.

Die Akaflieg beschreibt das – inzwischen vor dem Erstflug stehende – Projekt so: Konstruktiv wurde ein negativer Interferenzwiderstand angestrebt, das heißt, die zusammengesetzten Bauteile Rumpf und Tragflächen haben einen geringeren Widerstand als die Summe der Einzelwiderstände. Schon Ende der 1990er Jahre wurde an diesem Detail an der TU Delft von Studenten der Akaflieg München ein Konzept erarbeitet und mit mehreren Windkanaluntersuchungen und Simulationen verifiziert. Begonnen wurde mit drei Windkanalmodellen, die mit verschiedener Konfiguration vermessen wurden:

1. mit einem planaren Flügel in Mitteldeckerkonfiguration (konventionell)
2. mit einer Schulterdeckeranord-nung und Aufschränkung zum Rumpf-Flügel-Übergang hin
3. mit einer Schulterdeckeranordnung mit einer Aufschränkung zum Rumpf hin und zusätzlich einem turbulenten Profil im Verschneidungsbereich zwischen Flügel und Rumpf.

Die dritte Konfiguration erwies sich als die beste und wurde in einer weiterführenden Entwicklungsreihe, die erst 2006 abgeschlossen wurde, verfeinert. Die grundlegenden Vorteile dieser Konfiguration sind:

  • eine durchgängige Flügeloberseite
  • nur zwei Verschneidungen zwischen Flügel und Rumpf (und nicht vier, wie konventionell)
  • Die bei der Verschneidung zwischen Flügel und Rumpf entstehenden Verwirbelungen verlassen sofort durch den pylonförmigen Rumpf das Flugzeug;
  • eine annähernd elliptische Auftriebsverteilung durch Aufschränkung und geänderte Profilierung.

Vergleich: ASW 27 und Mü 31

Die Mü 31 bekam daraufhin im Nahbereich des Rumpfes eine Aufschränkung und eine geänderte Profilierung, um so eine annähernd elliptische Auftriebsverteilung über den gesamten Flügel zu erreichen.
Im unmittelbaren Rumpfbereich erhielt der Mü-31-Flügel zusätzlich ein turbulentes Profil. Im Vergleich mit einem Laminarprofil wirkt die auf eine turbulente Strömung ausgelegte Profilierung in diesem Bereich widerstandsverringernd. Die Strömung schlägt ja am Rumpf bereits vor Erreichen des Tragflügels von laminar auf turbulent um und verlässt den Flügelwurzelbereich in Form von Wirbelzöpfen.

entlang und erzeugen weiteren Widerstand. Bei der Mü 31 strömen sie wie beim Windkanalmodell oberhalb des Rumpfes ab. Bei der Kombination von Flügel und Rumpf musste zudem darauf geachtet werden, dass die Verschneidung der beiden Bauteile möglichst rechtwinklig erfolgte. Bei der Hochlage des Flügels war das in den Windkanalmodellen erst einmal nicht gegeben – Rumpf und Flügel schnitten sich in kleinem Winkel. Diese Verschneidung wirkte auf der Unterseite wie ein Kanal und ergab einen Düseneffekt. Dem starken Druckabfall an der Flügelnase folgte darin ein starker Druckanstieg, der widerstandsträchtige Ablösungen begünstigte.

Bei der Mü 31 schnürt der Rumpf schon im hinteren Haubenbereich kurz vor dem Flügel etwas ein und setzt diese Einbuchtung unter diesem fort. Der Flügel sitzt somit auf einer Art Halbpylon. Nachteile dieser Konfiguration sind der geringe Platz für die Steuerungsübergabe und die aufwendige Holmkonstruktion aufgrund der Verschneidung. Die Mü 31 wurde deshalb wie der Albatros mit einem Mittelflügel gebaut.

Beim Schulterdecker JS3 Rapture ist im Rumpfbereich ebenfalls ein deutlich anderes, starres Flügelprofil zu erkennen. Die Flügelhinterkante der JS3 endet allerdings im oberen Drittel der Rumpfröhre, sodass hier zu erwarten ist, dass die Wirbel anders als bei der Mü 31 den Rumpf entlang abfließen und dort die Umströmung stören werden. Gewinnen dürfte die JS3 im Kampf gegen allen vermeidbaren Widerstand vor allem durch ihren minimalisierten Rumpf und den vielen  Widerstand sparenden Details.
Die Standard-Klasse-Flugzeuge LS1 bis LS1-c von Rolladen-Schneider tragen den Flügel ähnlich wie die JS3 als Schulterdecker. Der Jantar fliegt mit einem recht hoch angesetzten Flügel und auch die Motorsegler der Stemme-Reihe. Die Flügelhinterkanten schneiden bei diesen Flugzeugen im Gegensatz zur Mü 31 immer noch die Rumpfröhre. Auch wurde bei diesen Konstruktionen der Flügel im Bereich der Wurzelrippe nicht anders profiliert oder aufgeschränkt. In welchem Maße das Mü-31-Konzept die Leistung steigern kann, wird sich nach Vermessungen ergeben, die direkt mit denen einer ASW 27 verglichen werden können – wahrscheinlich beim Idaflieg Sommertreffen im August in Aalen-Elchingen

Daten Mü 31

ae 04-2017 JS3 Rapture Akaflieg (07)

Mü 31: auch von vorn unverkennbar mit neuartigem Flügelaufbau. Foto und Copyright: Akaflieg München  

 

Hersteller: Akaflieg München
Einsatz: 15-m-Klasse-Wettbewerbe
Bauweise: Faserverbund

Abmessungen
Spannweite: 15 m
Flügelfläche: 9 m²
Flügelstreckung: 25
Winglethöhe: 0,45 m
maximale Abflugmasse: 500 kg
max. Wasserballast: 150 l

Geschwindigkeiten
Höchstgeschwindigkeit: 285 km/h
Manövergeschwindigkeit: 217 km/h
Mindestgeschwindigkeit: 67 km/h
geringstes Sinken: 0,5 m/s

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Akaflieg München/Gerhard Marzinzik



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