{"id":947,"date":"2019-12-29T21:07:15","date_gmt":"2019-12-29T21:07:15","guid":{"rendered":"https:\/\/idaflieg.de\/?p=947"},"modified":"2020-01-13T13:16:28","modified_gmt":"2020-01-13T13:16:28","slug":"thermographieversuche-an-winglets","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/idaflieg.de\/?p=947","title":{"rendered":"Thermographieversuche an Winglets"},"content":{"rendered":"\n

Bei modernen Segelflugzeugen r\u00fcckt zur Verbesserung der bereits hohen aerodynamischen G\u00fcte zunehmend die Untersuchung von Details in den Fokus. Dabei ist unter anderem die genaue Kenntnis des Zustands der Grenzschicht, also des wenige Millimeter dicken Bereichs in der N\u00e4he eines umstr\u00f6mten K\u00f6rpers in welchem die Str\u00f6mung verz\u00f6gert wird, von Interesse. Diese kann dabei laminar, turbulent oder, wenn sie dessen Kontur nicht mehr folgen kann, abgel\u00f6st sein. Besonders wichtig ist dabei, die Grenzschicht selbst w\u00e4hrend der Beobachtung m\u00f6glichst wenig zu beeinflussen. Ein Verfahren, mit dem das besonders gut gelingt, stellt die Thermographie dar. Dabei wird der untersuchte K\u00f6rper, etwa ein Fl\u00fcgelschnitt, beheizt und mit einer Thermographiekamera, die in der Lage ist, W\u00e4rmestrahlung im nicht sichtbaren Bereich aufzuzeichnen, beobachtet. Da sich bei turbulenter Grenzschicht ein h\u00f6herer W\u00e4rme\u00fcbertragungskoeffizient einstellt als bei laminarer oder gar abgel\u00f6ster, k\u00fchlt die Str\u00f6mung den K\u00f6rper entsprechend st\u00e4rker, es l\u00e4sst sich an der Stelle des Umschlags von laminarer zu turbulenter Str\u00f6mung sowie des Abl\u00f6sens oder Wiederanlegens also ein Temperatursprung beobachten.<\/p>\n\n\n\n

In der Vergangenheit wurden dazu auf diversen Sommertreffen bereits erfolgreiche Versuche an Abschnitten des Tragfl\u00fcgels verschiedener Flugzeuge durchgef\u00fchrt mit beheizten, \u00fcbergest\u00fclpten Handschuhen, die der Profilkontur nachempfunden waren, oder durch die Sonneneinstrahlung erw\u00e4rmter, aufgeklebter, schwarzer Folie. <\/p>\n\n\n\n

Bei den diesj\u00e4hrigen Versuchen sollte es darum gehen, dieses Verfahren auch an Winglets anzuwenden. Die Visualisierung der Grenzschicht konnte hier bislang nur mit Anstrichversuchen erreicht werden, bei denen pro Flug jedoch immer nur ein Flugzustand veranschaulicht werden kann. Deshalb erscheint eine Untersuchung mittels Thermographie, bei der mit einem Flug, je nach Dauer, mehrere Messpunkte untersucht werden k\u00f6nnen, interessant. Allerdings stellt das Heizen hier eine gr\u00f6\u00dfere Herausforderung dar, als es beim Tragfl\u00fcgel der Fall ist. Ein \u00fcbergest\u00fclpter Heizhandschuh w\u00fcrde die empfindlicheren Str\u00f6mungsverh\u00e4ltnisse als an einem Fl\u00fcgelabschnitt zu stark st\u00f6ren, eine Beheizung durch die Sonne scheidet aufgrund der sich \u00e4ndernden Einfallswinkel des Lichts w\u00e4hrend des Fluges aus, zumal die Kontur eines Winglets eine nicht abwickelbare Oberfl\u00e4che darstellt, was etwa die Anwendung einer Heizfolie ausschlie\u00dft. <\/p>\n\n\n\n

Stattdessen wurde hier ein neues Verfahren angewendet: In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut f\u00fcr Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden wurde durch Thermisches Spritzen in die Innenseite einer Halbschale eines Wingletstumpfes vor dem Verkleben ein Mehrschichtsystem mit einer Heizschicht gespritzt. Bei diesem Verfahren wird ein, hier als Pulver vorliegender, Stoff in einer Spritzpistole erhitzt und in einem angeschmolzenen, breiigen Zustand auf das Werkst\u00fcck geschleudert, wo sich die Partikel dann verklammern. F\u00fcr Substrate aus Faserverbundstoffen ist das Verfahren noch nicht besonders weit ausgereift, weshalb f\u00fcr diese Anwendung im Rahmen von Manuel \u201eMoses\u201c Machullas Studienarbeit eine passende Beschichtung sowie Oberfl\u00e4chenvorbereitung entwickelt wurde.<\/p>\n\n\n\n

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Halbschale des Winglets beim beschichten.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"\"\/<\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die Heizleiterschicht konnte \u00fcber Kupferstreifen einfach durch zwei Kabel kontaktiert werden, die dann aus dem Wingletstumpf heraus bis ins Cockpit des Flugzeugs, in diesem Fall unseres Twin Astirs, gef\u00fchrt wurden. Befestigt wurde der Wingletstumpf mittels eines Aufsteckhandschuhs am Fl\u00fcgelende, an einem weiteren Handschuh zwischen Querruder und Bremsklappe wurde die Thermographiekamera zur Aufzeichnung verschraubt. Zur Bestimmung der zugeh\u00f6rigen Fluglage wurde am anderen Fl\u00e4chenende noch eine F\u00fcnflochsonde samt Druck-Spannungswandlern angebracht, deren Daten eine Messkarte im Cockpit aufzeichnete. Ziel des Versuchs war die prinzipielle Erprobung des Aufbaus und der Eignung der Heizschicht f\u00fcr Thermographieuntersuchungen an komplexer geformten Bauteilen wie Winglets. Die Beheizung konnte w\u00e4hrend des Fluges nachgeregelt werden, da sich der Wingletstumpf zum einen bei gleicher Heizleistung immer st\u00e4rker abk\u00fchlt, andererseits aber auch nicht zu warm werden sollte, um Sch\u00e4den im Laminat zu vermeiden.<\/p>\n\n\n\n

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Der Twin beim Start im F-Schlepp. An der rechten Fl\u00e4che sind au\u00dfen der Wingletstumpf und weiter innen der Handschuh, auf dem die Thermographiekamera sitzt, zu sehen.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Auf dem Sommertreffen wurden nach einem Testflug zur Erprobung der Sicherheit des Aufbaus mehrere Fl\u00fcge mit verschiedenen Schwerpunktlagen durchgef\u00fchrt, bei denen mehrere Geschwindigkeitsstufen sowie langsames \u00dcberziehen im Geradeausflug erflogen wurden. Abschlie\u00dfend wurde zum Vergleich auch f\u00fcr einen gew\u00e4hlten Flugzustand ein Anstrichbild erstellt.<\/p>\n\n\n\n

Auch wenn es noch kleinere Schwierigkeiten gab, funktionierte der Versuch zufriedenstellend. Bereits kurz nach dem Abheben konnte im Film der Thermographiekamera beobachtet werden, wie sich die zu erwartende Abl\u00f6sung einstellte, auch die Ausbildung eines Turbulenzkeils wurde aufgezeichnet. Weiterhin zeigte sich schnell, wo noch Verbesserungspotential liegt. So ist an den Kontaktierungsstellen der Beheizung die Temperatur deutlich h\u00f6her als auf dem Rest des Feldes. An einer Verbesserung der Kontaktierung wird derzeit gearbeitet. Des Weiteren fiel bereits beim Verkleben auf, dass sich die beschichtete Halbschale aufgrund des W\u00e4rmeeintrags etwas verzogen hatte, so dass keine 100%ige Formtreue mehr gegeben war. Hier k\u00f6nnte Beschichten der Halbschale in der versteiften Form einfache Abhilfe schaffen. <\/p>\n\n\n\n

Bei der Auswertung zeigte sich eine sehr gute \u00dcbereinstimmung zwischen den Thermographieaufnahmen und dem Anstrich. Die Abl\u00f6sung und das darauffolgende Wiederanlegen der Str\u00f6mung sind durch deutliche Temperatur\u00e4nderungen zu sehen und decken sich, ebenso wie der Turbulenzkeil im Fu\u00dfbereich, mit den Positionen im Anstrich.<\/p>\n\n\n\n

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Links: Anstrichbild des Wingletstumpfes. Bei diesem Verfahren wird der K\u00f6rper mit einer L\u00f6sung aus Farbpigmenten, einen Binde- und einem L\u00f6semittel eingestrichen, die dann entsprechend des Grenzschichtzustands verl\u00e4uft und mit Verdampfen des L\u00f6semittels eintrocknet. Gut zu erkennen ist der dunkle Bereich bei etwa 55 \u2013 75 % relativer Fl\u00fcgeltiefe, in dem die Str\u00f6mung abl\u00f6st und der Kontur des K\u00f6rpers nicht mehr folgen kann
Rechts: Thermographieaufnahme eines vergleichbaren Flugzustands. Auch hier ist die Abl\u00f6sung durch den w\u00e4rmeren Bereich zu erkennen. Die beiden gr\u00f6\u00dferen hellen Flecken sind Hotspots durch erh\u00f6hten Widerstand der Kontaktierung der Heizschicht.<\/p>\n\n\n\n

Zur weiteren Auswertung wurden anhand des Messschriebs mit den Daten der F\u00fcnflochsonde geeignete Messpunkte ausgew\u00e4hlt und aus den Filmen der Thermokamera zugeh\u00f6rige Schnappsch\u00fcsse erstellt, aus denen Temperaturprofile entlang einer gew\u00e4hlten Linie im Bild erzeugt werden konnten. Anhand dieser k\u00f6nnen, je nach Grenzschichtzustand, R\u00fcckschl\u00fcsse auf die Position des laminar-turbulenten Umschlags oder der Abl\u00f6sung gezogen werden. Die Auswertung der Daten l\u00e4uft derzeit noch und wird wie \u00fcblich beim kommenden Wintertreffen im Januar in Esslingen vorgestellt. Bereits jetzt l\u00e4sst sich aber festhalten, dass das Verfahren der Beheizung mittels thermisch gespritzten Heizschicht f\u00fcr Thermographieuntersuchungen an Winglets geeignet ist und weitere Versuche in Zukunft vielversprechend erscheinen. <\/p>\n\n\n\n

Abschlie\u00dfend m\u00f6chten wir uns bei allen Helfenden bedanken, sowie bei Schempp-Hirth f\u00fcr das Bereitstellen eines Winglets zum Abformen f\u00fcr den Versuchsk\u00f6rper und bei J\u00fcrgen \u201eWilli\u201c Frey, dessen Thermographiekamera wir f\u00fcr den Versuch nutzen durften.<\/p>\n\n\n\n

Autor: Philipp „Clausi“ Clau\u00dfnitzer, Akaflieg Dresdenx <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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