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Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

leinad

Geheimer Meister
18. November 2010
222
[mod]Auf Wunsch hierher als neues Thema kopiert. Von hier:http://www.weltverschwoerung.de/neues-aus-forschung-entwicklung/22094-neues-fliegzeug.html#post536385 beast/Mod[/mod]


Guten Tag zusammen,

bedingt durch eine berufliche Fragestellung und Diskussion habe ich mich (mal wieder) mit der Thematik

Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

beschäftigt.

Immer wieder trifft man auf die Behauptung, derartige Flugobjekte müssten stabile Flugeigenschaften haben, zuletzt durch den Thread von Dave.dun. Dabei hat es schon fundierte Gründe, warum diese Objekte lediglich in Nachkriegszeit experimentell betrachtet wurden. Wären sie eine derart interessante Alternative zu Flugzeugen oder gar Automobile, würden sie längst existieren. Findige Geschäftsleute würden sich eine solche Gelegenheit nicht entgehen lassen. Der Staat und dessen Militärs waren lediglich zur Nachkriegszeit finanzielle Förderer und kämen heutzutage nicht mehr in Betracht. Es bleiben diejenigen übrig, die technisch unplausible Ideen verwirklichen wollen aber schon an physikalischen Grundlagen scheitern, und Hobby-Modelbauer die tatsächlich das ein oder andere ferngesteuerte Objekt technisch umsetzen – aber bleibt es eben auch. Daraus abzuleiten, es handele sich um eine bahnbrechende Neuerung welche die gesamte Transportwelt revolutionieren wird, ist unbegründetes Wunschdenken. Letztlich unterliegen sie den Gesetzen der Physik, Aerodynamik und Strömungslehre. Diese können weder wegdiskutiert noch übersprungen werden. Aussagen „ich glaube“, „es müsste doch….“ oder „ich bin der Meinung dass..“ sind in der Technik völlig wertlos.

Vor einigen Jahren habe ich mich schon mal mit genau dieser Fragestellung beschäftigt und habe diese aus den o.g. Gründen nochmals aufgegriffen. Ich habe mit zwei bekannten CFD Systemen, die ich beide beruflich nutze, die Umströmung einer „Untertasse“ simuliert. Ich bin jedoch weder Informatiker, noch Programmierer dieser Software, sondern ein reiner „Anwender“, mit lediglich ein paar wenigen Programmierkenntnissen und somit Beeinflussungsmöglichkeiten der Software Systeme.

Vorab folgende Bemerkungen dazu: Ich bitte um Nachsicht, dass ich keine CFD Dateien und Bilder veröffentlichen werde. Obwohl ich generell der Meinung bin, dass technische Begebenheiten teils besser mit einem Bild als mit Worten erklärt werden können, stellt dies eine Ausnahme dar. Auf den Ausdrucken und auf einer hard-copy (print screen) ist ein Logo meines Arbeitgebers als Wasserzeichen in beiden CFD Systemen eingebettet. Selbst wenn ich diese schwärzen und überdecken würde könnte aus der Position und Größe auf das Logo und auf meinem Arbeitgeber schlussgefolgert werden. Bei dieser Thematik, und das ist auch meine persönliche Meinung, tut dies dem Verständnis jedoch keinen Abbruch. Im Gegensatz zu einem Flugzeug (im Bug- und Heckbereich) dass eine mehr oder weniger geometrisch undefinierte Geometrie hat – zumindest von einem Spantabstand zum nächsten – kann man sich eine disc sehr gut vorstellen. Durch die Rotationssymmetrie kann man sich ein derartiges Objekt gut vorstellen. Abgesehen davon, liefern CFD Strömungsbilder ohnehin nur interpretationsbedürftige Bilder.

Natürlich beruhen nicht alle Aussagen auf meine eigenen Erkenntnisse. Für eine detaillierte Literaturangabe fehlt mir, ehrlich gesagt, sowohl Zeit als auch Lust, zumindest in diesem Anlauf.

Noch kurz eine weitere Randbemerkung: Der ureigentliche Sinn einer Gegenüberstellung von Daten als 1:1 Vergleich kann hier leider nicht hergeleitet werden. Das liegt daran, dass man für die Simulation von „herkömmlichen“ Flugzeugen andere Berechnungsgrundlagen als für ein Diskus verwenden muss.

Auch sind Flugzeuge natürlich nicht rotationssymmetrisch, so dass verschiedene Grundannahmen für beide Flugobjekte getroffen werden müssen. Nichtsdestotrotz kann aus den Ergebnissen der Diskus-Simulation Ableitungen getroffen werden, die wiederum sehr wohl mit denen anderer Flugobjekten verglichen werden können.

Im Hinblick auf den Umfang bzw. Länge des Beitrages versuche ich mich kurz zu fassen. Wenn dies interessant sein sollte kann natürlich der eine oder andere Punkt detaillierter dargestellt werden.

Angenommene Geometrie des Flugkörpers

Ellipsoid, an den beiden Enden abgeflacht, mit einem Seitenverhältnis von 7:1

Anmerkung: der fliegende Fön verlinkt in Deinem Beitrag #17 ist „unten hohl“, also ein umgedrehter Unterteller oder Frisbee. Ein solches Objekt hat eine ganz andere Aerodynamik- die Strömung reißt an zwei Punkten ab (innen vordere Kante und außen hintere Kante) führt hier zu Turbulenzen. Turbulenzen am Strömungsbild führen immer zu Auftriebsverlusten (Reduzierung des Flügelgesamtauftriebes um die Größe der Turbulenzen) und zur Reduzierung der Stabilität (durch Unterstützung eines eigentlich geringen Momentes welches sich so erst negativ auswirken kann).


Frisbee kontra Ellipsoid

Die ersten derartig geformten Objekte gehen bis auf die Griechen zurück, eingeführt in die Olympischen Spiele, und als ein reines Sportobjekt verwendet.
Marktfähig als Freizeitbeschäftigung wurde der „Frisbee“ von einer US-amerikanischen Firma.
Die Aerodynamische Betrachtung runder Flugobjekte erfolgte bis dato so gut wie ausschließlich anhand von Frisbees, die Betrachtung ellipsoider Flugkörper ist noch vergleichsweise jung.


Aerodynamik

Die Suche nach DER aerodynamischen perfekten Konstruktion oder Geometrie ist heute keinesfalls weniger aktuell als vor einigen Jahrzehnten. Als Definition gilt hier eine totale Stabilität, die Möglichkeit des Geradeausflugs ohne Auftreten und Kompensieren von Momenten bei maximaler Reichweite. Schon deshalb können rotationssymmetrische Flugobjekte nicht „optimal“ betrachtet werden, ein Geradeausflug ohne Korrekturen ist nicht möglich. Auf die Ursache komme ich später.

Bedingt durch ihre Einfachheit sind die Untertassen zunächst sehr interessant, ihre Eignung jedoch steht leider in direktem Widerspruch zu ihrer Simplizität.

Ein rotationssymmetrisches Ellipsoid ist gleichzeitig Flügel und Gyroskop mit geringem Seitenverhältnis (SV). Als Flügel wird Auftrieb erzeugt, gyroskopisch Stabilität.

Das Seitenverhältnis SV einer Flügelfläche ist definiert als das Quadrat der Flügelfläche / Grundriss

SV = (Flügelfläche)^2 / Grundriss = D^2 / Pi (D/2)^2 = 4/Pi ≈ 1,237

Ein Flügel mit hohem SV hat ebenfalls eine hohe Gleitzahl L/D (lift-to-drag) und umgekehrt. Das kann man sich auch augenscheinlich vorstellen, denkt man zum Beispiel an einen Glider mit überproportional großer Flügelfläche (SV bzw. L/D ≈ 40), gegenteilig sind Kampfjets mit SV bzw. L/D ≤ 5.

Die Korrelation zwischen dem SV und der Gleitzahl L/D erklärt sich wie folgt: so bald ein Flügel Auftrieb erzeugt kommt es durch die unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten an der Flügelober- und –unterseite zu Verwirbelungen, die den Auftrieb reduzieren. Je größer das SV der Flügel, desto geringer die Vewirbelungsverluste im Verhältnis zum Gesamtauftrieb. So erklären sich übrigens auch die exzellenten Gleiteigenschaften von Segelfliegern mit ihren, wie oben schon erwähnt, großen Flügeln. Auch ist dies der Grund, warum Kampfflugzeuge bei einem Triebwerksausfall keinerlei Gleiteigenschaften mehr aufbringen und wie ein Stein zu Boden fallen – woraus sich wiederum die Vorsehung von Schleudersitzen ableiten lässt.

Im Gleitflug ist das SV bzw. das L/D-Verhältnis gleich dem Kotangens des Gleitwinkels. Nun würde man annehmen, dass bei einem fliegenden Ellipsoid das L/D-Verhältnis ca. eins betragen würde, resultierend aus dem SV von nur etwas größer als eins (1,23).
Bei einem L/D-Verhältnis zwischen 1 und 2 beträgt der Gleitwinkel zwischen 30 und 45°. Die meisten Frisbees und ähnlich geformte Körper weisen jedoch einen Gleitwinkel zwischen 10 und 20° auf, welches wiederum einem L/D-Verhältnis von 3 bis 5 entspricht. Für einen derart geringen SV-Wert besitzt also ein Ellipsoid ein ausgeprägtes aerodynamisches Potential. Experimente im Windkanal belegen die Tatsache, dass ein L/D-Verhältnis von 7 bis 8 erreichbar sind, und, unter realistischen Umständen durchaus als optimal eingestuft werden können.

Primäre Flugeigenschaften

Attraktiv wird eine frisbee letztlich durch sein gyroskopisches Potential, welches einen stabilen Flug ermöglicht, initiiert durch die Eigenrotation. Ohne Rotation wären Frisbees und fliegende Ellipsoide ein reiner Flügel ohne stabilisierende Momente. Eine stabile Flugbahn ohne Eigenrotation ist nicht möglich.
Als Vorteil der Eigenrotation ist die Fähigkeit, kleinere Ablenkungen in Längsneigung / Nickwinkel (pitch) und Rollwinkel / Querneigung (roll) zu kompensieren, durch den Eigendrehimpuls wichtig.
Hieraus wird ersichtlich, dass ein reiner Flügel stets instabil ist und kleinste Ablenkungen sich in Richtung +/- Längsrichtung bis hin zum Abreißen des Auftriebes sofort bemerkbar machen. Um Stabilität zu erlangen haben Flugzeuge, nach dem Vorbild der Natur (Vögel), daher Heckflossen. Dafür muss man den verminderten Auftrieb, welche die Heckflosse erzeugt, in Kauf nehmen da beim Horizontalflug die Heckflosse das Flugzeug nach unten drückt.
Was dem Flugzeug also seine Heckflosse ist, ist dem Frisbee / dem Ellipsoid seine Eigenrotation.
Als Instabilität bleibt dem Frisbee jedoch seine Eigenschaft, seine Tendenz im Geradeausflug stets nach links oder rechts abzudriften. Das ist insoweit physikalisch unvermeidbar, als das der Auftriebsschwerpunkt nicht zwangsläufig mit dem Massenschwerpunkt zusammen liegen muss, sondern in Flugrichtung entweder davor und dahinter liegen kann. So wird ein Nickmoment erzeugt, welches sich als stampfen auswirkt. Bedingt durch die gyroskopische Präzession wird sich jedoch ein Nickmoment, obwohl in Längsrichtung erzeugt, in Querrichtung bemerkbar macht und führt zu eben diesem Abdriften.

Nun stellen wir uns geworfene Frisbee oder ein fliegendes Ellipsoid in der Draufsicht vor, welche gerade abgeworfen wurde. Die Eigenrotation erfolgt in Uhrzeigersinn, der Auftriebsschwerpunkt befindet sich geringfügig hinter dem Massenschwerpunkt, die Ablenkung erfolgt nach rechts. Diese Ablenkung können von geübten Frisbee-Werfern dadurch kompensiert werden, dass die Frisbee um einem entsprechenden Winkel nach links versetzt, sich hach dem Abdriften auf dem gewünschten Kurs befindet (Hyzer-Winkel).
Ein rotierender rotationssymmetrischer Körper erfährt zusätzlich eine Magnuskraft, welche bei einem rotierenden Körper, bei Anströmung oder eben eigener Bewegung durch Luft, eine Kraft zur rückdrehenden Seite erfahren. Wieso weshalb warum diese Kraft in dem Masse entsteht wie sie es eben tut, ist größtenteils noch erklärungsbedürftig. Die These, durch den Bernoulli-Effekt entstehen Über- und Unterdruckbereiche ähnlich der Kavitationssentstehung, können jedoch widerlegt werden. Der Magnus-Effekt ist um so ausgeprägter, je größer die seitliche Angriffsfläche ist, und ist daher, bei einer Frisbee oder Ellipsoid, minimal – reicht aber zur Ablenkung der Scheibe.

Bis zu diesem Punkt gibt die Fachliteratur einiges an Brauchbaren aus der Nachkriegszeit her, nicht zuletzt von Sportlern die sich intensivst mit ihren Frisbees beschäftigen. Seitdem wurden alle eingereichten Forschungsanträge in allen westlichen Ländern abgelehnt. Weder Regierungsformen, noch Militärs oder Unternehmen haben daran Interesse diese Flugobjekte nochmals aufzugreifen. Als potentielle, zukunftsträchtige Anwendung ist ausschließlich der Ersatz der Geometrien von ballistischer Munition genannt. Frsibees-Munition im Überschallbereich eröffnen bei gleichem Abstossimpuls bisher ungeahnte Reichweiten bei hoher Eigenrotation.

Derartig geformte Geometrien werden als reines Freizeitgimmick betrachtet. Man sollte sich stets zwei wesentliche Einflussbereiche vor Augen halten:

1.
Die Flugstabilität ist direkt abhängig von der Eigenrotation. Abgesehen davon, wie diese bei einem ellipsoiden Grundkörper erzeugt werden sollte wird so klar, wie unvernünftig hoch die Eigenrotation sein müsste um selbst die einfachsten Flugmanöver bewerkstelligen zu können.

2.
Die mit einer derartigen Geometrie erlangten Auftriebskräfte sind derartig gering, dass selbst ein Motor nebst anderen maschinenbaulichen Aggregaten nicht zu bewerkstelligen wären. Hier von potientiellen Nutzlasten zu sprechen ist undenkbar. Je höher die anvisierte Nutzlast, desto größer muss der Auftriebs ein. Je größer der Auftrieb sein muss, desto größer muss die auftriebserzeugende Flügelfläche sein. Je größer die Flügelfläche werden soll, desto größer die benötigte Eigenrotation um bei großen Massen flugstabil zu gewährleisten. Die Katze beisst sich hier in den Schwanz.

Das habe ich auf die Schnelle zusammen gestellt. Bei Bedarf ist mehr Info vorhanden.


Abschließende nicht-technische Beurteilung

Dave.dun – nichts für Ungut – wenn ich Deine Beiträge lese bin ich etwas hin und her gerissen. Einerseits stehe ich einem - potentiell und tatsächlich vorhandenen - Erfindergeist stets sehr positiv gegenüber, so er denn ein Minimum an technischer Realität aufweist oder sich der Erfinder zumindest dahingehend zwangsorientieren lässt. Andererseits könnte sich ein Nicht-Fachmann bei der versprühten Euphorie Deiner Beiträge fragen, ob es denn keine Luft- und Raumfahrttechniker, Aerodynamiker, Physiker, Ingenieure etc gibt die sich mit genau diesen Aufgabestellungen beschäftigen. Ganz ohne Wertung Deiner Person gegenüber, Deine jugendlich-unbesorgte – teils rosa rote Sichtweise – technischer Sachverhalte wirken total unbeholfen. Ein „Fachmann“ gleich welcher Natur, der sich mit ähnlichen Aufgabenstellungen täglich auseinandersetzen darf (ja, DARF!) könnte Deine Äußerungen durchaus wie ein „Schlag-ins-Gesicht“ betrachten.
Abschließend erkenne ich ein fehlendes Verständnis technischer Zusammenhänge nicht zuletzt daran, dass Du gar nicht versuchst zu verstehen, sondern mit Annahmen und Unterstellungen arbeitest anstatt Versuche zu unternehmen die Technik im status quo mindestens zu verstehen. DAS würde Forscherdrang zeigen!
Dann würde man (grrr…jaaa..ICH) Dich auch guten Gewissens unterstützen (wollen). Außerdem sind Deine Ableitungen für die Menschheit und dessen Reiseverhalten und –möglichkeiten aus diesen unbegründeten, verkehrten Annahmen absolut
unrealistisch.
Wahrscheinlich ist dies die falsche Rubrik, oder gar das falsche Forum für Gedanken dieser Art. Diese Aussage beziehe ich auf meinen Beitrag, nicht auf Deinen.

Ich werde mich morgen nun auf mein rosa Wattebäuschchen auf den Weg zu meiner nutzlosen Alltagsbeschäftigung machen und werde meinen Vorgesetzen dahingehend aufklären, dass wir schon jahrelang überflüssigerweise völlig nutzlosen Dingen hinterher forschen – und – wo die für die Menschheit wirklich revolutionär wichtigen Neuerungen zu erwarten sind.
 
Zuletzt bearbeitet von einem Moderator:

leinad

Geheimer Meister
18. November 2010
222
AW: Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

Ist jemand an diesem Thema interessiert?

Wenn nein kann ich mir die Zeit schenken.
 
Zuletzt bearbeitet:

Malakim

Insubordinate
31. August 2004
13.544
AW: Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

Da ich ja einige Vorlesungen zum Thema Aerodynamik hören durfte ... auf welcher Basis möchtest Du denn sowas in einem Internetforum besprechen???
 

leinad

Geheimer Meister
18. November 2010
222
AW: Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

Ich verstehe Deine Frage nicht.

Der Anstoss des Themas kann man aus dem Ursprungsthread entnehmen.

"Besprechen" möchte ich gar nichts. Ich habe angeboten einige Ausführungen zur Flugfähigkeit von ellipsoiden Körpern zu hinterlassen.
 

Ehemaliger_User

Beatus ille, qui procul negotiis.
10. April 2002
29.057
AW: Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

Hallo Leinad,
nur nicht nachlassen, es dauert eben etwas bis man als Mensch "nicht vom Fach" deinen Bericht versteht, bzw. Verifiziert und beantwortet.

Vielleicht erlaubst du mir eine Anmerkung:
der Erfinder zumindest dahingehend zwangsorientieren lässt
Ein Erfinder der sich Zangsorientieren lässt, ist kein Erfinder, allenfalls jemand der Vorhande Pfade neu geht und Verzweigungen zu neuen wegen Ausbaut, das ergibt ein neues Modell aber keine neue Erfindung!

Ich werde mich morgen nun auf mein rosa Wattebäuschchen auf den Weg ...
Oh ja, kannst da mal ein paar Bilder Posten :-)
Ok, ist alles nur Spaß, du machst sicher die gleichen fehler wie ich, wir benutzen keine Smilys, aber langsam gewöhne ich mich an doppelpunkt minus klammerzu :-) Spaß muss eben auch sein!
 

Malakim

Insubordinate
31. August 2004
13.544
AW: Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

Hallo Leinad,
nur nicht nachlassen, es dauert eben etwas bis man als Mensch "nicht vom Fach" deinen Bericht versteht, bzw. Verifiziert und beantwortet.

Es würde mich überaschen, wenn hier jemand anwesend ist der da mehr vom Fach ist als ich ... immerhin habe ich den Mist an der TU Studiert.
Trotzdem ist mir nicht so ganz klar wo das hinlaufen soll, mit Sandkasten Aerodynamik lässt sich hier nichts zeigen, belegen, berechnen ...
 

leinad

Geheimer Meister
18. November 2010
222
AW: Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

@dave.dun

Du hast Recht mit den Smilies!

Mit der Zwangsorientierung, das lassen wir mal weg.

Wir wollten doch nur noch technisch bleiben
 

Ehemaliger_User

Beatus ille, qui procul negotiis.
10. April 2002
29.057
AW: Aerodynamik und Flugeigenschaften rotationssymmetrischer Flugobjekte

OK, und wieder eine übereinstimmung.

Ohne jetzt näher auf deine Definition einzugehen, ist es denn grundsätzlich nicht möglichein Objekt in Dikussform so zu gestallten das es Aerodynamisch zum Gleiten geeigent ist?

Wenn nicht anders Möglich dann könnte man evtl. das Außenchassis in Delta/Dreieckform erstellen, diese Art von Flugzeugen können bekanntlich Fliegen, soweit mir bekannt ist zwar auch nur mit unterstützung von KI aber es geht offensichtlich! Der Staudruck an der Unterseite und der Auftrieb an der Oberseite scheinen ab eine mindest Geschwindigkeit für Auftrieb zu genügen nur der Anstellwinkel scheint Manuell nicht haltbar zu sein! Aber das trift ja auch auf den Learjet zu...

So jetzt mach ich mich erst mal im Detail über deinen Text her um evtl. halbweg Technisch mit dir Reden zu können!
 
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