Reduzierung des Bugwiderstandes mittels Aero-Spikes

Hintergrund

Die Anwendung von konventionellen starren Aero-Spikes an stumpfen Flugkörpernasen ist, wie gut bekannt, nicht sehr sinnvoll, da dessen Wirkung im Manöverflug ausbleibt. Im Rahmen des Projekts FFT2 wurde ein neues Konzept untersucht, das den Einsatz eines beweglichen selbst ausrichtenden Spikes vorsieht, der in jeder Fluglage stets gegen die Strömung gerichtet ist (siehe Abb.1).

Abb. 1: Skizze der Vorrichtung zur Selbstausrichtung eines Spikes an der Nase eines manövrierenden Flugkörpers

Das Messverfahren

Die systematischen experimentellen Untersuchungen fanden an einem vereinfachten Zylindermodell mit halbsphärischer Nase im Rohrwindkanal Göttingen mit Machzahlvariation zwischen 2 und 5 bei Anstellwinkeln zwischen 0° und 30° statt. Drei Modellkonfigurationen wurden untersucht: a) das Referenzmodell ohne Spike, b) das Modell mit einem herkömmlichen starren Spike und c) mit dem neuartigen beweglichen Spike. Es wurde das Schattenverfahren zur Strömungsvisualisierung, direkte Messungen der aerodynamischen Kräfte mit einer Modellwaage, sowie die quantitative Infrarot-Thermografie zur Messung der Hitzebelastung der Modellnase eingesetzt.

Die Ergebnisse zeigten eine stabile Wirkung der gerichteten Spikes auch bei Schräganströmung des Modells. In Abb. 2 sind die unterschiedlichen Effekte eines fixierten (Mitte) und eines gerichteten Spikes (rechts) im Vergleich zum Referenzfall (links) bei einem Anstellwinkel von 25° deutlich zu sehen. Im Gegensatz zur fixierten Ausrichtung demonstrieren die Schattenbilder beim gerichteten Spike eine vorteilhafte symmetrische Stoßstruktur im Bugbereich, die zu einem deutlich geringeren Wellenwiderstand führt.

Abb. 2: Effekt verschiedener Spikes am Prinzipmodell bei M = 2 und a = 25°: ohne Spike (links), mit einem herkömmlichen Spike (Mitte) und mit dem in Flugrichtung gerichteten Spike (rechts)

Die Ergebnisse der Kraftmessungen sind in Abb. 3 beispielhaft als Widerstandgewinn und Gleitzahlverhalten (Verhältnis des Auftriebs zum Widerstand) bei Variation des Anstellwinkels a von 0° bis 30° bei allen drei untersuchten Konfigurationen präsentiert. Die gerichteten Spikes verbessern offensichtlich die wichtigsten aerodynamischen Eigenschaften eines stumpfen Körpers. Verglichen mit dem Referenzmodell z.B. bei einem Anstellwinkel a von 25° und Mach 5 ist der Vorkörper-Widerstand um ca. 43% kleiner, die Gleitzahl um ca. 116% größer und das destabilisierende Nickmoment um ca. 34% geringer.

Abb. 3: Einige Ergebnisse der Kraftmessungen im Windkanal bei Mach 5

Im Vergleich zum herkömmlichen Spike hilft ein beweglicher Spike außerdem die Wärmestromdichte im Dombereich deutlich zu reduzieren und zu homogenisieren. Die Ergebnisse der angewandten quantitativen Infrarot-Thermografie zeigen z.B. bei einer Machzahl von 5 und einem Anstellwinkel von 15°, dass die maximale Wärmestromdichte an der Nase durch die Ausrüstung mit einem gerichteten Spike um bis ca. 70% geringer ist als bei einer starren Spike-Konfiguration.

Veröffentlichungen zum Thema

• Schülein E. (2008) “Wave Drag Reduction Approach for Blunt Bodies at High Angles of Attack: Proof-of-Concept Experiments”, AIAA Paper 2008-4000, 4th AIAA Flow Control Conference, Seattle, Washington (USA), 2008-06-23 - 2008-06-26, 13p
• Schülein E. (2009) “Wave Drag Reduction Concept for Blunt Bodies at High Angles of Attack”, Shock Waves, Proc. of the 26th International Symposium on Shock Waves (ISSW26), K.Hannemann - F.Seiler (Eds.), Vol.2, pp.1315-1320, Springer