Aerodynamisches Verhalten einer generischen UCAV Konfiguration

Kurzfassung

Für die Auslegung unbemannt fliegender militärischer Plattformen, die hoch manövrierbar mit einer zugleich geringen Entdeckungswahrscheinlichkeit sein sollen, ist es essentiell, die grundlegenden physikalischen Strömungsvorgänge, die mit den Geometrieeigenschaften einhergehen, zu verstehen. Die vorliegende Arbeit beschreibt das aerodynamische Verhalten einer generischen UCAV-Konfiguration namens DLR-F17 in der Längsbewegung im transsonischen Geschwindigkeitsbereich unter operationellen Randbedingungen und stellt eine Analyse der komplexen Strömungsvorgänge bei moderaten und hohen Anstellwinkeln dar. Die lambdaförmige Plattform besitzt eine Vorderkantenpfeilung von 53° mit einem variierenden Nasenradius, wobei die sich ausbildende Strömungstopologie durch komplexe Wirbelstrukturen charakterisiert ist. Im Rahmen der dargestellten Untersuchungen werden die Einflüsse des Anstellwinkels sowie der Mach- und Reynoldszahl hergeleitet. Validierungsuntersuchungen wurden auf Grundlage experimenteller und numerischer Daten durchgeführt. Die numerischen Ergebnisse wurden mit dem DLR TAU-Code generiert. Die experimentellen Daten stammen aus PSP-, Kraft- und Momentenmessungen sowie Ölanstrich- und Schlierenbild-Untersuchungen, die im DNW-TWG Windkanal durchgeführt wurden. Die Validierungsuntersuchungen erbrachten den Nachweis, dass es unter Zuhilfenahme des Strömungslösers TAU möglich ist, die komplexe Strömungstopologie der DLR-F17 Konfiguration im transsonischen Geschwindigkeitsbereich zu simulieren und wiederzugeben. Zudem wurden weitere numerische Untersuchungen unter operationellen Randbedingungen durchgeführt, bei denen die Konfiguration im Maßstab 1:1 bei flugäquivalenten Zuständen einer generischen Mission betrachtet wurde. Die numerischen Ergebnisse geben dabei Aufschluss über den Einfluss von Anstellwinkel und Machzahl auf das aerodynamische Verhalten. Die aerodynamischen Beiwerte werden unter Einbeziehung der Strömungsvorgänge analysiert. Die Detailinterpretation der Strömungstopologie zeigt die Komplexität der Strömungsvorgänge und verdeutlicht, wie lokale Überschallfelder mit stoßinduzierten Strömungsablösungen mit weiteren Wirbelsystemen bei hohen Anstellwinkeln interagieren. Dabei entstehen strömungsphänomenologische Vorgänge, wie Strömungsablösungen in Form von Strudelpunkten auf dem Flügelsegment der Konfiguration, die sonst nur bei anderen Körpern, wie Rotationsellipsoiden, vorkommen. Darüber hinaus wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit der Reynoldszahleinfluss detailliert untersucht. Numerische, unter Windkanalbedingungen generierte Ergebnisse wurden mit unter realen Missionsbedingungen erzeugten Resultaten verglichen. Die Reynoldszahl beeinflusst die aerodynamischen Beiwerte und hervortretenden Strömungsphänomene signifikant. Der Reynoldszahleinfluss wurde ebenso in Abhängigkeit von der Machzahl untersucht. Die lokal auftretenden Überschallfelder, die von der Machzahl abhängig sind, beeinflussen wiederum die Effekte, die mit variierender Reynoldszahl einhergehen. Insbesondere die Verzögerung der Strömungsablösung von Wirbelsystemen an der runden Vorderkante hin zu höheren Anstellwinkeln führt bei subsonischen und niedrigen transsonischen Geschwindigkeiten zu einer Erhöhung des maximalen Auftriebsbeiwertes sowie zu einer Verschiebung hin zu höheren Anstellwinkeln. Bei mittleren transsonischen Geschwindigkeiten verschwindet dieser Effekt, jedoch wird der Reynoldszahleinfluss auf die Verdichtungsstoßsysteme deutlich. Aus der Interpretation der Strömungstopologie sind zahlreiche Reynoldszahleffekte zu schlussfolgern, die sich aufgrund der komplexen Strömungsvorgänge überlagern.