Sydney Forscher druckt Hyperschall-Flugzeugmodelle für den Test von Langsamwindkanälen

Tamas Bykerk, ein Doktorand an der Universität von Sydney in Australien, hat mithilfe der 3D-Drucktechnologie Hyperschall-Flugzeugmodelle für Langsamlauf-Windkanaltests entwickelt. 3D-Drucker haben die Zeit für die Erstellung eines funktionierenden Prototyps stark verkürzt. Es ermöglicht ihm außerdem, mehrere Optionen effizient zu untersuchen, indem verschiedene Iterationen eines Teils gedruckt werden, um zu testen und Feedback zu erhalten.

Bykerk verfolgt einen Ph.D. in Luft- und Raumfahrttechnik, betreut von Dr. Dries Verstraete. Beide sind Teil des Projekts Hexafly-International, bei dem sie mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und dem italienischen Zentrum für Luft- und Raumfahrtforschung (CIRA) zusammenarbeiten, um die Durchführbarkeit kommerzieller Hyperschallflüge zu bewerten.

In der Aerodynamik wird Hyperschallgeschwindigkeit als der Punkt definiert, an dem einzelne physikalische Veränderungen im Luftstrom (wie Dissoziation und Ionisation) auftreten. Eine Hyperschallgeschwindigkeit bezieht sich im Allgemeinen auf Geschwindigkeiten von Mach 5 und darüber. Seit Jahrzehnten fliegen atmosphärische Flucht- und Rückführungsfahrzeuge wie die Space Shuttles der NASA und Forschungsflugzeuge mit Raketenantrieb bei solchen Geschwindigkeiten für kurze Zeit. Kommerzielle Hyperschallflugzeuge, die einen anhaltenden Hyperschallflug erfordern, sind jedoch noch in der Konzeptphase.

“Gegenwärtig konzentriert sich der überwiegende Teil der Forschung auf den High-Speed-Design-Punkt – hauptsächlich auf die aero-strukturellen Probleme, die die Flugzeugheizung begleiten. Meine Forschung untersucht, ob diese Flugzeuge sicher starten und landen können “, sagt Bykerk. “Das Hauptziel ist es, Leistung und Stabilität während dieser zwei kritischsten Phasen des Fluges zu bewerten.”

Alle Starrflügler-Flugzeuge müssen zwei gegensätzliche Ziele ausgleichen – optimale Effizienz bei Reisegeschwindigkeit gegenüber stabilem, kontrollierbarem Flug bei Start und Landung. Je schneller die gewünschte Reisegeschwindigkeit ist, desto ausgeprägter wird der Kompromiss. Laut Laien sind superschnelle Flugzeuge nicht dafür gebaut, langsam zu fliegen.

Wenn ein Flugzeug startet und während es versucht zu landen, nähert es sich dem, was den Piloten als minimale steuerbare Fluggeschwindigkeit bekannt ist. Der Punkt, an dem wenn man noch ein wenig langsamer fliegt, die Aufrechterhaltung eines stabilen Fluges unmöglich wird. Bei dieser Geschwindigkeit wird das Fliegen am gefährlichsten, da eine Verringerung der Fluggeschwindigkeit das Flugzeug zum Stillstand bringt, sich in einen Sturzflug versetzt oder sich dreht, um den Luftstrom über seine Flügel zurückzugewinnen. Wenn dies in Bodennähe passiert, gibt es keine Zeit sich davon wieder zu erholen.

Kaum vorhandene aerodynamische Probleme in höheren Flughöhen und Geschwindigkeiten werden zu signifikanten Risikofaktoren während eines langsameren Fluges in Bodennähe. Ein Seitenwind kann erfordern, dass die Ebene in einem ungünstigen Winkel auf ihrer vertikalen Achse geflogen wird, um ihre Flugbahn beizubehalten, wodurch die Art und Weise verändert wird, in der Luft über ihre Flügel und Steuerflächen strömt. Bykerk hat die Aufgabe, diese Langsamflug-Überlegungen in Flugzeugkonstruktionen zu untersuchen, die in der Lage sind, die Schallgeschwindigkeit um ein Vielfaches zu erhöhen.

Die Fakultät für Ingenieurwesen und Informationstechnologien der Universität Sydney hat 16 Tiertime 3D-Drucker, von denen vier in ihrem Fab-Lab in der School of Aerospace, Mechanical und Mechatronic Engineering untergebracht sind. Bykerk verwendet diese 3D-Drucker bei der Konstruktion von Hyperschall-Flugzeugmodellen zum Testen in einem langsamen Windkanal. Größere Modelle werden in ABS-Teilen 3D-gedruckt, dann zusammengebaut und nachbearbeitet, um die Kontinuität zwischen dem ursprünglichen Design und dem Modell zu gewährleisten. Techniken umfassen Schleifen, Lücken füllen, erneut Schleifen, Harz-Beschichtung und Bemalung.

Das Endprodukt wird in einem Windkanal platziert, wo wichtige Daten gesammelt werden können.

“Wir betrachten Dinge wie Heben und Ziehen für Lande- und Startgeschwindigkeiten und den erforderlichen Anstellwinkel. Wenn das Fahrzeug mit Strom versorgt wird, installieren wir einen Ventilator in das Modell und analysieren die Einlasslippenseparation und die Einlassverzerrung “, sagt Bykerk. “Die Fahrzeuge, mit denen ich arbeite, haben alle stark gepfeilte Tragflächenformen, daher sind Wirbelaufzüge und die Interaktion mit anderen Teilen des Flugzeugs oft von Interesse. Die Stabilitätsanalyse umfasst die Ruck- / Roll- / Giermomente sowie die Seitenkraft und wie diese sich mit Anstellwinkel und Seitensprung ändern. ”

Der 3D-Druck wird auch für die schnelle Änderung und den Austausch von abnehmbaren Modellteilen, meist Steuerflächen, verwendet. Querruder, Seitenruder, Aufzüge, Klappen und sogar ganze Flügel können in der Größe verändert oder ihre Profile angepasst werden. Auf diese Weise kann das Team sowohl ein Hyperschall-Design testen als auch versuchen, seine Start- und Landeeigenschaften zu verbessern.

“Modelle wie diese würden typischerweise mit CNC-Bearbeitung hergestellt, was teuer ist”, sagt Bykerk. “3D-Druck ist nicht nur kostengünstiger, sondern ermöglicht es mir, den Fertigungsprozess vollständig zu steuern und mehrere Iterationen schnell umzusetzen.”