Warum können Modellflugzeuge nicht verwendet werden, um das Schleuder- und Strömungsabrissverhalten bemannter Flugzeugkonstruktionen zu entdecken?

Wer sagt, dass maßstabsgetreue Modelle nicht für die Spin-Modellierung verwendet werden können?

Die Schlüsselinformation ist, dass die Reynolds-Zahl das Verhalten des getrennten Luftstroms nicht so stark beeinflusst, sodass Sie die Geschwindigkeit nicht erhöhen müssen, um die kleineren Abmessungen auszugleichen. Lediglich beim Studium des Strömungsabrisses würde die Reynoldszahl eine Rolle spielen, aber auch hier sind aussagekräftige Ergebnisse bei niedrigeren Drehzahlen möglich.

Modelle werden routinemäßig in Spinntunneln verwendet . Hier sind sowohl die Geschwindigkeit als auch die Abmessungen kleiner, aber die Ergebnisse lassen sich auf das Originalflugzeug übertragen. Es gibt zwei Arten von Spintunneln:

1. Freie Tunnel mit einem offenen, divergierenden Abschnitt, in dem das Modell von einem erfahrenen Bediener geworfen werden muss, damit es sich in einem Trudeln im aufwärts strömenden Luftstrom niederlässt. Der Abschnitt ist divergierend, sodass sich die Geschwindigkeit mit der Höhe ändert und es dem Modell ermöglicht, eine passende Geschwindigkeit zu finden.

Bild von Schleudertests an einem Grumman E-2- Modell im 20-Fuß-Spinntunnel der NACA ( Bildquelle )

2. Geschlossene Tunnel, in denen das Modell auf einem Stachel montiert ist. Der Stachel ist mit einer rotierenden Waage verbunden, die auf unterschiedliche Roll- und Giergeschwindigkeiten eingestellt werden kann. Die resultierende Koeffizientenmatrix über Anstellwinkel, Schwimmwinkel und über die drei Rotationsgeschwindigkeiten wird in ein Computermodell eingespeist, das die Gleichgewichtspunkte berechnet.

Die in freien Tunneln verwendeten Modelle müssen sowohl geometrisch als auch inertial skaliert werden, damit ihre Massenverteilung mit der des Originals übereinstimmt. Wenn der Spinntunnel eine rotierende Waage verwendet, ist nicht einmal die dynamische Skalierung von Massen und Trägheiten erforderlich, und es kann ein reguläres Tunnelmodell verwendet werden. Ist der resultierende Spin jedoch oszillierender Natur, ist der freie Spin-Tunnel im Vorteil, da sich dies im Test gut bemerkbar macht. In einem geschlossenen Tunnel bekommt man nur zwei Gleichgewichtspunkte und muss die Verbindung selbst herstellen.

Ein dritter Weg sind Freiflugtests von Modellen, die aber deutlich teurer sind und weniger Beobachtungen erlauben als Windkanäle.

Die Strömungsabrisscharakteristik ist mit Modellen etwas schwieriger vorherzusagen, aber auch hier kann man Rückschlüsse aus dem ziehen, was im Tunnel zu sehen ist. Um ausgehend vom Messwert bei Re = 1.000.000 zum maximalen Auftriebsbeiwert zu gelangen, können Sie diese Skalierung verwenden:

Das folgende Diagramm zeigt den Unterschied im Auftriebskoeffizienten zwischen einem kleinen Modell und einem Flugzeug in Originalgröße. Die größten Unterschiede gibt es rund um den Strömungsabriss, und bei den hohen Anstellwinkeln, die bei Spins zu sehen sind, zeigen beide ein ziemlich ähnliches Verhalten.

Auftriebskoeffizient über Anstellwinkel für Modell- und Großflugzeuge, entnommen aus der Monographie von Joseph Chambers über das Testen mit Modellen ( Modellflug: Die Rolle dynamisch skalierter Freiflugmodelle zur Unterstützung der Luft- und Raumfahrtprogramme der NASA ).

Für kleine Flugzeuge ist der relative Aufwand eines Tunneltests normalerweise nicht ausreichend. Stattdessen wird das Echte verwendet. Da es sich um kleine Geschwindigkeiten handelt, werden Schleuderversuche mit einem Schleuderschirm oder einer ablösbaren Masse am Heck des Flugzeugs durchgeführt. Bei modernen Konstruktionen kann sogar ein ballistisches Fallschirmsystem für ein vollständiges Flugzeug eingesetzt werden, um einen Absturz zu verhindern, wenn der Schleudertest in einer nicht behebbaren Situation endet.

Spinnschachtinstallation an einer Columbia 400 ( Bildquelle )

Skalierte Modelle werden verwendet, um Spin-Eigenschaften von bemannten Flugzeugen zu bestimmen. Siehe zum Beispiel dieses Bild aus Modeling Flight – The Role of Dynamically Scaled Free-Flight Models in Support of NASA’s Aerospace Programs von Joseph R. Chambers:

Es gibt jedoch erhebliche Schwierigkeiten bei der korrekten Modellierung der Spin-Eigenschaften des Flugzeugs.

Damit ein Modell ein Flugzeug in Originalgröße richtig simulieren kann, sollten beide dynamisch ähnlich sein, dh die Flugbahn und die Winkelverschiebungen des Modells und des Flugzeugs werden (geometrisch) identisch sein, obwohl die Zeitskala normalerweise variieren wird.

Für das Modell, das die Dralleigenschaften des Flugzeugs originalgetreu reproduziert, sollte das (Ausgleich) der aerodynamischen und Trägheitsparameter ähnlich sein. Das Modell sollte (zusätzlich zu den geometrischen Parametern) in Masse, Trägheitsmoment, Linear- und Winkelgeschwindigkeit etc. skaliert werden. Die Skalierungsfaktoren bei inkompressibler Strömung sind beispielsweise:

Bild aus Modeling Flight – The Role of Dynamically Scaled Free-Flight Models in Support of NASA’s Aerospace Programs von Joseph R. Chambers

Bei kompressibler Strömung ist noch mehr Skalierung erforderlich:

Bild aus Modeling Flight – The Role of Dynamically Scaled Free-Flight Models in Support of NASA’s Aerospace Programs von Joseph R. Chambers

Das Problem ist, dass es nicht möglich ist, all diese Skalierungen originalgetreu zu duplizieren. Sie haben Recht, dass die Reynolds-Zahl das wichtigste Problem ist. Spin beinhaltet (teilweise oder vollständig) getrennte Strömungen, die erheblich von der Reynolds-Zahl beeinflusst werden.

Der oben erwähnte Bericht kommt zu dem Schluss:

Die Daten zeigen signifikante Zunahmen der Größe und des Anstellwinkels für den maximalen Auftrieb, wenn die Reynolds-Zahl von Modellbedingungen auf den Skalenendwert ansteigt. Solche Ergebnisse können die Vorhersage der Flugeigenschaften des Flugzeugs nahe und über dem Strömungsabriss erheblich beeinflussen.

Ein weiteres Problem sind die Kosten für die Erstellung eines Modells; Das korrekte Modellieren und Testen (zumindest Falltesten) dieser Systeme ist mit erheblichen Kosten verbunden, deren Ressourcen nicht für alle außer den teuersten Programmen verfügbar sind. Zum Beispiel kommt The Spinning of Aircraft – A Discussion of Spin Prediction Techniques , Bericht Nr. AD-A216-200 zu dem Schluss:

Die Tropfenmodelltechnik mit etwa 1/4-Modellen ... hat das Potenzial, alle Phasen des Spins abzudecken. Aufgrund der Kosten und des erheblichen Personalbedarfs wird es jedoch nur für Großprojekte rentabel.

Dies sind die Gründe, warum wir keine maßstabsgetreuen Modelle sehen, die verwendet werden, um die Spin-Eigenschaften von GA- und Ultraleichtflugzeugen zu modellieren.