Hubschrauber zeichnen sich durch ihre Eigenschaft aus, sowohl auf der Stelle schweben als auch sich mit moderater Geschwindigkeit fortbewegen zu können. Dadurch entsteht eine große Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten. Eine wichtige Rolle spielt dabei das Design der Rotorblätter, welches immer einen Kompromiss zwischen schnellem Vorwärtsflug und Schwebeflug darstellt. Ein wichtiger Designparameter ist der Abstand zwischen Vorder- und Hinterkante des Flügelprofils, die Profilsehnenlänge. Im Rahmen des SABRE Projekts ist am DLR für eine Erweiterung der Profilsehnenlänge ein strukturelles Konzept erarbeitet worden, wodurch eine stufenfreie und spaltlose Anpassung der Profilsehnenlänge an den Flugzustand ermöglicht wird. Die numerische Überprüfung zeigt, dass sich der Gesamtleistungsbedarf des Rotors mit der entwickelten Profilsehnenverlängerung im Schwebeflug reduzieren lässt.
Leistung im Schwebeflug
Aus Berechnungen der Rotordynamik ist bekannt, dass eine Vergrößerung der Profilsehnenlänge im Wurzelbereich der Rotorblätter die Leistung im Schwebeflug erhöht, während eine kleine Profilsehnenlänge für einen schnellen Vorwärtsflug vorteilhaft ist. Auf dieser Grundlage wurde ein Strukturkonzept für eine Verlängerung der Profilsehne im Rotorblattwurzelbereich erarbeitet, das die Grundlage für eine Leistungsberechnung bildet.
Das Modellkonzept
Das strukturelle Konzept umfasst drei Teilbereiche: ein konventioneller Hauptholm an der Vorderkante, eine faserverstärkte Hinterkante und ein elastischer Bereich, der Vorder- und Hinterkante miteinander verbindet. Die Hinterkante ist an ihrer radial äußersten Position über ein Gelenk gelagert und kann durch eine Führung im radial innersten Bereich herausgefahren werden. Dadurch läßt sich die Profilsehnenlänge vergrößern. In Richtung des Gelenks nimmt die Profilsehne kontinuierlich ab. Der elastische Bereich besteht aus einer flexiblen Haut aus gummiartigem Material, das durch Fasern in radialer Richtung verstärkt ist, sowie einer inneren Stützstruktur aus GFK.
Für den Entwurf des Konzepts ist eine Optimierungsroutine erarbeitet worden, bei der das Rotorblatt strukturell, ausgehend von einem generischen Modell, entworfen wird. Innerhalb der Routine wird ein Balkenmodell des Rotorblattes für eine dynamische Analyse erstellt, welches wiederum mit dem generischen Modell gekoppelt ist. In einem weiteren Schritt werden ein 3D-Modell für die Festigkeitsanalyse als auch eine aeroelastische Simulation durch Fluid Struktur Interaktion (FSI) erstellt.
Von der Leistungsberechnung zum Demonstrator
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugsystemtechnik vom DLR Braunschweig erfolgt eine Leistungsberechnung, um die Energieeffizienz der Profilsehnenverlängerung zu bewerten und einen Anhaltspunkt für eine weitere Konzeptverbesserung zu liefern. Zu der Leistungsberechnung gehören neben Trimmanalysen für verschiedene Blattbelastungszustände im Schwebeflug auch verschiedene Vorwärtsfluggeschwindigkeiten mit dem DLR Analysecode S4. Es wird eine Verlängerung der Profilsehne von bis zu 100% berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Konzept der linearen Profilsehnenverlängerung die Leistungsanforderungen sowohl im Schwebe- als auch im Vorwärtsflug wirksam senkt. Auf dieser Grundlage sollen in diesem Jahr erste Demonstratoren gefertigt werden, um die Ergebnisse zu validieren.
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