Dreidimensionale Untersuchung von Rotornachläufen eines freifliegenden Modellhelikopters

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurden volumetrische und zeitaufgelöste Messdaten aus einer Shake-The-Box (STB) Messung für einen freifliegenden Modellhelikopter mit einem Hauptrotorradius von R = 350 mm untersucht. Es wurde eine Analyse des dreidimensionalen Wirbelsystems, des Geschwindigkeitsfeldes und der Wechselwirkungen zwischen Haupt- und Heckrotor durchgeführt und damit die Anwendungsmöglichkeit der STB Messung für freifliegende Modellhelikopter aufgezeigt. Für die Auswertung innerhalb eines helikopterfesten Koordinatensystems wurde eine Methodik entwickelt, die auf Basis des zeitlich gemittelten Wirbelsystems, das durch den Haupt und Heckrotor des Modellhelikopters induziert wird, die Position und Lage des Modellhelikopters innerhalb des Messvolumens über den Messzeitraum identifiziert. Zusätzlich wurde eine azimutale Erfassung des Hauptrotors sowie eine Möglichkeit zur Untersuchung der Blattspitzenwirbel des Hauptrotors untersucht. Eine detaillierte Untersuchung des Wirbelsystems im Hinblick auf Wechselwirkungen zwischen den Rotoren wurde durchgeführt. Die Kontraktion des Hauptrotornachlaufs entspricht 0,68 seines Radius. Ebenso wurden die Blattspitzenwirbel des Hauptrotors in Hinblick auf Entstehung, Bewegung, Zerfall und Instabilität untersucht. Weiterhin konnte für den freifliegenden Modellhelikopter die Scherschicht im Nachlauf und zwischen Blattspitzenwirbeln sowie Sekundärwirbel gezeigt werden. Mithilfe des Geschwindigkeitsfeldes konnten die betragsmäßig größte Geschwindigkeit mit dem 2,4 fachen der induzierten Geschwindigkeit im Schwebeflug auf der dem Heckrotor abgewandten Seite ermittelt werden. Zusätzlich wurde der Einfluss der Helikopterkabine und des Heckrotorauslegers auf die Geschwindigkeitsverteilung im Nachlauf untersucht. Weitere Forschungsarbeiten könnten auf dieser Arbeit aufbauen und die Wechselwirkungen zwischen Haupt- und Heckrotor weiter untersuchen, um in Zukunft die Leistung und Sicherheit von Helikoptern bei gleichzeitiger Lärmreduzierung zu erhöhen.