Den Rotorwirbeln auf der Spur: Wie Seifenblasen die Strömung um Quadrokopter sichtbar machen
DLR
Moderne Quadrokopter spielen heute in zahlreichen Bereichen eine zunehmend wichtige Rolle – von Luftaufnahmen und Rettungseinsätzen bis hin zu zukünftigen Konzepten für Lufttaxis. Um diese Luftfahrzeuge effizienter, leiser und sicherer zu machen, ist ein besseres Verständnis des Strömungsverhaltens der Luft im Bereich der Rotoren während unterschiedlicher Flugmanöver von entscheidender Bedeutung. Genau dies untersuchten Forschende des Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik im Rahmen des DLR-Projekts Urban Rescue mithilfe einer außergewöhnlichen Messtechnik.
Forschungsziele
Die Forschenden wollten ein tiefergehendes Verständnis dafür gewinnen, wie sich die Luft während des Flugs um einen Quadrokopter bewegt. Im Mittelpunkt der Untersuchung standen insbesondere folgende Fragen:
- Wie verändern sich die Strömungsmuster bei unterschiedlichen Flugmanövern, beispielsweise im Schwebeflug, beim Start und im Vorwärtsflug?
- Welchen Einfluss hat die Umgebung – insbesondere die Nähe zum Boden – auf das Flugverhalten und die dabei entstehenden Wirbelstrukturen?
- Wie lassen sich diese Erkenntnisse nutzen, um die Leistungsfähigkeit und Sicherheit zukünftiger Drohnen und anderer senkrecht startender und landender Luftfahrzeuge zu verbessern?
Untersucht wurden folgende Flugzustände:
- Schwebeflug
- Vorwärtsflug
- Start- und Landemanöver
- Flüge mit und ohne Bodeneffekt
Der Begriff Bodeneffekt bezeichnet den Einfluss des Bodens auf die Luftströmung unterhalb des Quadrokopters.
DLR
Ungewöhnlicher Versuchsaufbau
Die Untersuchung wurde mit einem ferngesteuerten Quadrokopter durchgeführt, der 915 g wog und eine Spannweite von etwa 0,5 m aufwies. Um die Luftströmung sichtbar zu machen, wurde eine große Versuchsanlage mit mehreren Hunderttausend heliumgefüllten Seifenblasen gefüllt. Diese winzigen Tracerpartikel hatten einen Durchmesser von etwa 350 Mikrometern und waren so leicht, dass sie der Strömung nahezu perfekt folgten.
Fünf Hochgeschwindigkeitskameras zeichneten die Bewegung der Partikel mit einer Bildrate von 3 Kilohertz auf, während rund 1.600 Hochleistungs-LEDs das Messvolumen ausleuchteten.
Ein wesentliches Merkmal des Experiments war das vom DLR patentierte Shake-The-Box-Verfahren (STB). Mit dieser Methode lässt sich die Bewegung einzelner Tracerpartikel über die Zeit verfolgen und anschließend zu einer detaillierten dreidimensionalen Darstellung der Strömung zusammenführen. Auf diese Weise konnten mehrere Hunderttausend Partikel gleichzeitig analysiert werden – deutlich mehr als mit konventionellen Verfahren.
Damit war es erstmals möglich, die dreidimensionale Strömung um eine frei fliegende Drohne mit außergewöhnlich hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung sichtbar zu machen.
Herausforderungen bei der Strömungsmessung
Eine der größten Herausforderungen bestand darin, dass sich der Quadrokopter selbst innerhalb des Messvolumens bewegte. Rotoren, Abschattungen und Reflexionen erschweren solche Messungen normalerweise erheblich. Mithilfe spezieller Kameratechnik und fortschrittlicher Bildverarbeitungsverfahren konnten diese Störeinflüsse jedoch minimiert und die Tracerpartikel zuverlässig verfolgt werden.
Ground effect in forward flight
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Was die Messungen zeigten
Die Messungen verdeutlichen eindrucksvoll, wie komplex die Strömungsverhältnisse um einen Quadrokopter tatsächlich sind.
Starke Wechselwirkungen zwischen den Rotoren
Jeder der vier Rotoren erzeugt ein eigenes Wirbelsystem. Diese Wirbelstrukturen treffen unterhalb der Drohne aufeinander und wechselwirken miteinander. Besonders im Schwebeflug entstehen dadurch hochdynamische und turbulente Strömungsstrukturen.
Einfluss des Bodens
Wenn die Drohne in Bodennähe betrieben wird, wird die Luft nach unten beschleunigt, trifft auf die Oberfläche und breitet sich anschließend nach außen aus. Dadurch entstehen zusätzliche Wirbel und Rezirkulationsströmungen. Unter bestimmten Bedingungen kann sogar ein sogenannter „Fountaining-Effekt“ auftreten, bei dem Luft unterhalb der Fahrzeugmitte wieder nach oben gedrückt wird.
Bedeutung für zukünftige Luftfahrzeuge
Die Ergebnisse sind nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht bedeutsam, sondern auch für praktische Anwendungen von hoher Relevanz.
Die Erkenntnisse tragen dazu bei,
- die Stabilität und Effizienz von Drohnen zu verbessern,
- den Energieverbrauch zu reduzieren,
- Geräuschquellen besser zu verstehen,
- Flugregelungssysteme weiterzuentwickeln und
- Sicherheitsrisiken während des Starts und der Landung zu minimieren.
Auf Grundlage der gemessenen Partikeltrajektorien nutzten die Forschenden die Datenassimilationsmethode FlowFit3.0 des DLR, um die dreidimensionale Strömung um die Drohne mit noch höherer Genauigkeit zu rekonstruieren. Dadurch konnten die komplexe, stark instationäre Strömung und die daraus resultierenden Wirbelstrukturen detailliert analysiert werden.
Von besonderem Interesse ist die Wechselwirkung zwischen den Rotornachläufen und dem Boden. Diese Wechselwirkung spielt eine wesentliche Rolle dafür, wie sich die Luft unterhalb und um das Luftfahrzeug bewegt.
Die detaillierte Untersuchung der Wirbeldynamik trägt dazu bei, Phänomene wie den Brown-out besser zu verstehen – Situationen, in denen durch das Luftfahrzeug aufgewirbelte Partikel die Sicht erheblich beeinträchtigen. Darüber hinaus liefert sie wertvolle Erkenntnisse darüber, wie Partikel in Bodennähe transportiert und verteilt werden.
Ein besseres Verständnis der Strömungsdynamik hilft außerdem dabei, potenzielle aeroakustische Schallquellen und schwankende aerodynamische Lasten während verschiedener Flugmanöver zu identifizieren. Dadurch können zukünftige Drohnensysteme gezielt optimiert werden.
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Ausblick
Es ist vorgesehen, die Messtechnik künftig auch auf größere Luftfahrzeuge anzuwenden, darunter Lufttaxis und moderne VTOL-Luftfahrzeuge (Vertical Take-Off and Landing) mit senkrechter Start- und Landefähigkeit.
In der nächsten Forschungsphase werden weitere experimentelle Untersuchungen mit demselben Messansatz durchgeführt. Im Rahmen des Folgeprojekts ROME (Rotor Multidisciplinary Methods and Experiments) wird insbesondere das Strömungsverhalten von Drehflüglern untersucht, die in Bodennähe betrieben werden.
Der umfangreiche dreidimensionale, zeitaufgelöste Strömungsdatensatz wird weiterhin gemeinsam mit den Projektpartnern ausgewertet, um wichtige aerodynamische Kenngrößen abzuleiten und deren Zusammenhänge besser zu verstehen.
Auch die Analysemethoden selbst werden kontinuierlich weiterentwickelt. Hochgradig instationäre Strömungsvorgänge sollen mithilfe moderner datengetriebener Ansätze untersucht werden, darunter Verfahren wie SPOD und PINNs, mit denen sich komplexe Strömungsmuster mathematisch zerlegen und analysieren lassen. Ziel ist es, ein tiefergehendes Verständnis instationärer und wiederkehrender Strömungsphänomene zu gewinnen und damit künftige wissenschaftliche Veröffentlichungen zu unterstützen.
Die Messungen ermöglichen einen einzigartigen Einblick in die ansonsten unsichtbare Welt der Luftströmung um Quadrokopter. Mithilfe modernster Messtechniken konnten die Forschenden hochkomplexe Wirbelstrukturen sichtbar machen, die für die Stabilität, Sicherheit, Effizienz und akustische Leistungsfähigkeit zukünftiger Luftfahrzeuge von entscheidender Bedeutung sind.
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