Ventil hilft, die Aerodynamik von Hubschrauber-Rotorblättern zu verbessern

 

Ein für eine Kometenlandefähre entwickeltes reaktionsschnelles Kugelventil soll künftig das Strömungsverhalten von Hubschrauber-Rotorblättern aktiv beeinflussen.

 

Zur Steuerung von Gasdüsen für Satelliten im Orbit und Kaltgas-Manöverdüsen eines Kometen-Landers wurde ein schnell reagierendes Ventil zur Dosierung des Gasflusses entwickelt. Es ist ein sehr zuverlässiges Ventil, das kleinste Mengen an Druckgas abgibt und damit die Bewegungen der Satelliten steuert. Das Besondere an dem Ventil ist sein Funktionsprinzip. Das Ventil ist so konstruiert, dass der Kegel des Ventils, hier eine Ventilkugel, nur durch eine Druckdifferenz zwischen Ventileingang und Ventilausgang in den Ventilsitz gedrückt wird. Das Öffnen des Ventils erfolgt durch Abrollen der Ventilkugel vom Ventilsitz. Der Schließvorgang wird durch das Durchströmen des Ventils mit Gas oder Flüssigkeit bewirkt, die die Ventilkugel vorwärts und zurück zum Ventilsitz bewegen.

 

Leistungssteigerung und Lärmreduzierung sind zentrale Themen der Hubschrauberforschung. Von besonderem Interesse ist dabei die dynamische Ablösung (dynamic stall) der Strömung am Rotorblatt, die bei erhöhter Betriebsgeschwindigkeit des Hubschraubers während der Rückwärtsbewegung des Blattes auftritt. Der dynamische Strömungsabriss ist ein inhärent instationäres Phänomen, das maßgeblich durch das Zusammenspiel von laminar/turbulentem Grenzschichtübergang, Strömungsablösung, Wirbelwachstum und -ausbreitung sowie Wiederanlagerung der Strömung beeinflusst wird. Während des dynamischen Strömungsabrisses kommt es zum Kollaps von Wirbeln auf der Oberseite des Rotorblatts, die neben einer Vergrößerung des Auftriebs auch eine Erhöhung des Widerstands und des Nickmoments verursachen. Der Flugbereich eines Hubschraubers ist begrenzt, um den Torsionsimpuls des dynamischen Strömungsabrisses zu vermeiden, der zu strukturellen Schäden am Rotor durch Überlastung der Pitch-Links und zu strukturellen Vibrationen führen kann, die den Komfort der Passagiere verringern oder die Kabine beschädigen.

 

Das für Raumfahrtanwendungen entwickelte Ventil hat sich als robuste und einfache Technologie erwiesen, die dazu beiträgt, das Phänomen des dynamischen Strömungsabrisses bei Hubschraubern zu bekämpfen. Im Rahmen eines länderübergreifenden Projektes wurden in einem Hubschrauberrotorblatt 42 schellschaltende Ventile verbaut, um den dynamischen Strömungsabrisses an einem Tragflügel beeinflussen zu können.

 

Nach erfolgreichem Projektabschluss, wird das Ventil in Folgeprojekten für den Einsatz in Rotorblättern weiter untersucht.