Aerodynamische Formoptimierung des Rotorkopfes bei Hubschraubern

Helikopter sollen schneller, umweltfreundlicher und leiser werden. Am RACER-Demonstrator arbeitet ein internationales Team unter der Leitung von Airbus Helicopters (AH) an technischen Lösungen für diese Ziele. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben eine aerodynamisch formoptimierte Rotorkopfverkleidung für den neuartigen Hubschrauber designt. Sie soll den Energieverbrauch senken und höhere Geschwindigkeiten ermöglichen.

Senkrechtstarter sind im Flugverkehr unverzichtbar, wenn keine Start- und Landebahn zur Verfügung steht: Etwa bei der Bergrettung, Einsätzen auf Ölplattformen oder zur medizinischen Versorgung abgelegener Gebiete. Konventionelle Hubschrauber verbrauchen im Gegensatz zu Flugzeugen allerdings mehr Energie und erreichen im Vorwärtsflug geringere Geschwindigkeiten. Grund dafür ist, dass der Helikopter auf einen Rotor angewiesen ist, um senkrecht starten und seine Position in der Luft stabil halten zu können. Im Reiseflug erzeugt der Rotor einen hohen Luftwiderstand.

Mit dem Airbus-Demonstrator RACER (Rapid And Cost-Effective Rotorcraft) wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Fluggerät entwickeln, das eine Geschwindigkeit von 400 Stundenkilometer im Vorwärtsflug erreicht und außerdem leiser und 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.

Optimale Form für den Rotor spart Energie

Bei der hohen Reisegeschwindigkeit spielt auch die Aerodynamik des Hubschraubers eine große Rolle. Im Projekt FURADO (Full Fairing Rotor Head Aerodynamic Design Optimization) haben Forscher der TUM in Zusammenarbeit mit AH daher eine aerodynamische Verkleidung für den Rotorkopf entwickelt. „Die Komponenten, die beim Hubschrauber im Reiseflug den meisten Widerstand verursachen, sind der Rumpf und der Rotorkopf“, erklärt Patrick Pölzlbauer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik. Während für den Rumpf schon Geometrien entwickelt wurden, die möglichst wenig Luftwiderstand verursachen, existierte für den Rotorkopf bisher noch keine aerodynamisch optimierte Vollverkleidung.

Der Grund: Die Aerodynamik des Rotors ist sehr 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 – wie dies etwa an einem Tragflügel im Reiseflug der Fall ist –, als auch die sogenannte abgelöste Strömung, die einen besonders hohen Widerstand hat.

„Eine abgelöste Strömung entsteht, wenn zum Beispiel die Kontur des Körpers mit einer Kante abgeschnitten wird, wie etwa bei einem stumpfen Fahrzeugheck am Auto“, erklärt Prof. Christian Breitsamter. „Dann löst die Strömung ab und es gibt Verwirbelungen. Das führt zum Beispiel dazu, dass Schmutzpartikel auf dem Heck landen.“ Auch im Rotorkopfbereich existieren an der Schnittstelle zu den Rotorblättern solche stumpfen Kanten.

Neuartige aerodynamische Rotorkopfverkleidung designt

Am Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik werden Simulationen solcher komplexen aerodynamischer Prozesse mithilfe moderner Software und Berechnungsmethoden durchgeführt. Doch die Forscherinnen und Forscher können sich dabei nicht allein auf die Technik verlassen. „Es gibt viele Einstellgrößen bei der Strömungssimulation, und diese müssen richtig gewählt werden, um ein verlässliches Ergebnis zu bekommen. Dafür ist Expertise und Erfahrung nötig“, sagt Breitsamter.

Patrick Pölzlbauer gelang es, die Form des Rotorkopfes so zu designen, dass die Strömung dort möglichst lange anliegend bleibt und nur kleine Verwirbelungen entstehen sollen. Im Zuge des Projektes entwickelte er eine Optimierungskette für die aerodynamische Gestaltung von Geometrien. Diese könnte theoretisch auch für die Entwicklung von Verkleidungen anderer Rotormodelle angewendet werden.

„Es ist geplant, die entwickelten Rotorkopfverkleidungen zu fertigen und am Flugdemonstrator zu testen“, erklärt Pölzlbauer. Die Wissenschaftler warten gespannt auf den ersten Flugversuch des RACER. Denn dann wird sich zeigen, ob die realen Verbesserungen der Aerodynamik auch wirklich den simulierten Ergebnissen entsprechen.

FURADO ist Teil des Clean Sky 2-Programms der EU. Ziel des Forschungsprogrammes ist es, technologische Entwicklungen für eine umweltfreundlichere Luftfahrt zu fördern.

Beschreibung des Projekts FURADO www.mw.tum.de/aer/forschung/projekte/furado/

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