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Insekten-inspirierte Rillen könnten Drohnenflug in dünner Marsluft erleichtern
Fliegen in dünner Luft verlangt andere Flügelformen als in der dichten Erdatmosphäre, wie neue Computersimulationen mit insektenähnlichen Profilen zeigen. Stark geriffelte Formen können bei sehr niedrigen Reynolds-Zahlen sogar weniger Widerstand erzeugen als eine flache Platte, während für maximalen Auftrieb glatte, gewölbte Profile mit einer Vertiefung an der Hinterkante günstiger sind.
Tokyo (Japan). In der dünnen Marsatmosphäre und bei sehr kleinen Drohnen bewegen sich Flügel in einem Strömungsbereich, in dem die Luftviskosität gegenüber der Trägheit stärker ins Gewicht fällt. Solche niedrigen Reynolds-Zahlen verändern, welche Profilformen aerodynamisch günstig sind, weil Ablösung, Wirbel und Reibungsanteile anders zusammenspielen als in Strömungen mit hohen Reynolds-Zahlen. Insekten liefern dafür ein Vorbild, denn ihre dünnen, häufig geriffelten Flügel arbeiten ebenfalls in einem Bereich niedriger Reynolds-Zahlen.
Ein Team um Prof. Masahiro Kanazaki von der Tokyo Metropolitan University (TMU) hat deshalb gezielt untersucht, welchen Anteil die Riffelung selbst an Auftrieb und Widerstand hat. Dafür nutzten die Forscher idealisierte Profile mit rechnerisch null Dicke. Solche Profile sind physisch nicht baubar, trennen aber den Effekt der Oberflächenform von Einflüssen der Vorderkantendicke und anderer geometrischer Details.
Die Form des Profils wurde über neun gleichmäßig entlang der Profiltiefe verteilte Kontrollpunkte beschrieben. Als Optimierer diente der Mehrzielalgorithmus NSGA-II, während ein Immersed-Boundary-Verfahren auf einem mehrschichtigen kartesischen Gitter die Strömung auch um mathematisch null dicke Körper berechnete. Untersucht wurden zwei Fälle bei 0 und 4 Grad Anstellwinkel und einer Reynolds-Zahl von 10.000.
Bei der Suche nach möglichst geringem Widerstand entstanden deutlich geriffelte Profile, besonders im Bereich der Vorderkante. In den Vertiefungen bildeten sich kleine Rückströmungsgebiete, durch die sich die äußeren Strömungslinien eher wie an einem glatteren Profil verhielten. Dadurch sank der viskose Anteil des Widerstands so weit, dass einige optimierte Formen insgesamt weniger Widerstand erzeugten als eine flache Platte.
Für maximalen Auftrieb verlief die Optimierung in die entgegengesetzte Richtung, denn die besten Profile besaßen nur wenige Rillen und stattdessen eine deutlich gewölbte Grundform. Nahe der Hinterkante blieb jedoch eine konkave Vertiefung erhalten, in der Wirbel eingefangen wurden und so den Auftrieb steigern konnten.
Die Gegenüberstellung zeigt damit keinen einzelnen Siegerflügel für jede Aufgabe. Riffelungen waren in den Simulationen vor allem dann vorteilhaft, wenn geringer Widerstand im Vordergrund stand, während sich für hohen Auftrieb eine glattere Wölbung als günstiger erwies. Die höchste Auftriebslösung bei vier Grad Anstellwinkel zeigte zugleich Strömungsablösung und Wirbelbildung nahe der Vorderkante.
Die Ergebnisse beschreiben zunächst zweidimensionale, idealisierte Simulationen, bei denen die rechnerische Nulldicke gerade als Werkzeug dient, um den Einfluss der Riffelung isoliert zu untersuchen. Diese Nulldicke ist keine realisierbare Bauform, weshalb sich aus der Studie noch nicht ableiten lässt, wie stark ein dreidimensionaler, verformbarer Flügel unter realen Marsbedingungen profitieren würde.
Insekten können ihre membranartigen Flügel verformen und dabei geriffelte sowie gewölbte Geometrien kombinieren. Das Team sieht darin einen Ansatz, künftige Mini-Drohnen oder Fluggeräte für dünne Atmosphären an verschiedene Aufgaben anzupassen, doch weitere Arbeiten müssten zeigen, wie sich solche kombinierten Formen in dreidimensionalen, tatsächlich baubaren Flügeln verhalten.