Beeinflussung des Wirbelnachlaufs eines Tragflügels mit aktiven Winglets

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Der internationale Flugverkehr entwickelt sich stetig zu immer höheren Passagierzahlen und mehr Flugbewegungen. Ein Hauptproblem dabei, das die Kapazität von Flughäfen begrenzt, sind die Wirbelschleppen, die hinter jedem Flugzeug entstehen. Da sie eine erhebliche Gefahr für in sie einfliegende nachfolgende Flugzeuge darstellen, müssen insbesondere in der Nähe von Flughäfen Sicherheitsabstände zwischen an- und abfliegenden Flugzeugen eingehalten werden, um gefährliche Wirbelschleppeneinflüge zu vermeiden. Durch die Einführung von modernen Großraumflugzeugen, die aufgrund ihres höheren Gewichts auch stärkere Wirbelschleppen produzieren, wird das Problem zusätzlich verschärft. Eine mögliche Verkürzung der Staffelung der Flugzeuge ist abhängig davon, ob es gelingt, die Gefährdung durch Wirbelschleppen deutlich abzuschwächen. Es wird hier untersucht, ob mit Rudern ausgerüstete Winglets dazu verwendet werden können, den Wirbelnachlauf eines Tragflügels abzuschwächen. Winglets sind bisher hauptsächlich dazu verwendet worden, flugmechanische oder aerodynamische Verbesserungen am Flugzeug selbst zu erreichen. Die Verwendung zur Nachlaufbeeinflussung wurde dagegen noch kaum untersucht. Dazu wird mithilfe von verschiedenen Klappen- und Ruderausschlägen zunächst ein instabiles Mehrwirbelsystem hinter dem Flügel erzeugt. Die in die Winglets integrierten Ruder sollen dann dazu verwendet werden, mittels oszillierender Ausschläge die am Winglet entstehenden Wirbel sinusförmig auszulenken. Damit soll die im Wirbelsystem inhärente periodische Instabilität angeregt werden, die zu einem deutlich beschleunigten Zerfall des Wirbelnachlaufs führt. Die richtigen Frequenzen der Anregung werden in einer theoretischen Stabilitätsanalyse des entstehenden Mehrwirbelsystems ermittelt. Der Nachlauf des Tragflügels wird dann mithilfe der Particle Image Velocimetry sowie Strömungssichtbarmachungen der Wirbel experimentell in einem Wasserschleppkanal untersucht. Ergebnisse mit und ohne Oszillation der Wingletruder können so verglichen werden. Es zeigt sich, dass durch richtige Wahl der Klappen- und Ruderkonfiguration leicht instabile Wirbelsysteme erzeugt werden können. Dabei sinkt die Gefährdung im Nachlauf eines solchen Tragflügels schon ohne aktive Oszillation deutlich schneller auf niedrige Werte als im Fall ohne Klappen bzw. Ruderausschläge. Die Oszillation der in die Winglets integrierten Ruder hat bei solchen Wirbelsystemen allerdings in keinem Fall eine zusätzliche Beschleunigung des Wirbelzerfalls mehr ergeben.