Felix Scharstein und Dr. Wolfgang Send
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W. Send, Otto Lilienthal und der Mechanismus des Schwingenflugs (Otto Lilienthal and the mechanism of flapping flight), Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 1996, Dresden 24.-27. September 1996: dglr_jt96_030_send.pdf (3.6  MByte).

Zusammenfassung: Otto Lilienthal hat mit seinen Beobachtungen zum Schwingenflug vor mehr als 100 Jahren die zentralen Mechanismen für den Vortrieb der fliegenden Lebewesen erkannt. Schlagen, Drehen und Schwenken eines Flügels sind die kinematischen Grundmuster bei diesem Bewegungsvorgang. Den Beleg für diese Feststellung geben moderne zoologische Beobachtungen. Entgegen frühen theoretischen Postulaten, nach denen die Sogwirkung der Vorderkantenumströmung für den Vortrieb verantwortlich sein soll, zeigen auch theoretische Untersuchungen, daß die gekoppelte Schlag- und Drehbewegung beim Tierflug im Gegenteil diesen Effekt höherer Ordnung minimiert. Diese gegensätzlichen Feststellungen zum Tierflug, zusammen mit dem gleichzeitigen Erfolg der neuen Theorie "Instationäre Aerodynamik" nach 1920 für die Aussagen zur Stabilität der Tragfläche, haben Lilienthals Beobachtungen zum Mechanismus des Tierflugs weitgehend verdrängt und deren grundlegende Bedeutung vergessen lassen. Zum Gedächtnis an Lilienthals Tod vor 100 Jahren wird mit dem vorliegenden Vortrag sein Prioritätsrecht an den Erkenntnissen zum Tierflug in Erinnerung gerufen. Ein vom Autor zusammen mit dem Feinmechaniker Felix Scharstein nach Lilienthals Überlegungen entwickeltes Schwingenflugmodell zeigt, daß der Mechanismus des Vortriebs experimentell so leicht zu realisieren ist, wie dies die elementaren theoretischen Überlegungen erwarten lassen. Zu neuen Überlegungen für eine flugtechnische Nutzung des Schwingenflugs könnte dies einen Anstoß geben.

Literatur
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[19] J.D. DeLAURIER, J.M. HARRIS, Oscillating-Wing Propulsion, J. Aircraft, May 1982, 368-373.
[F1] E. VON HOLST, Flugbewegungen bei Insekten, Wilhelmshafen 1941, IWF Göttingen, C 575 (3.5 min)
[F2] W. NACHTIGALL: Phormia regina - Flügelbewegung beim Flug,  Saarbrücken 1964, IWF Göttingen, E 1710 (3 min)
[F3] G. RÜPPELL, Technik des Vogelfluges, Braunschweig 1968-1977, IWF Göttingen, D 1368 (14.5 min)
                                                      

W. Send, Der Mechanismus des Schwingenflugs (PDF, 0.3 MByte),  Hauptvortrag DPG Jahrestagung Jena 1996, Fachverband Didaktik der Physik.

Zusammenfassung: Der Tierflug beruht auf der Fähigkeit der fliegenden Lebewesen, Auftriebs- und Vortriebskraft hervorzubringen. Schlagen, Drehen und Schwenken der tragenden Flächen sind die kinematischen Grundmuster beim Vortrieb. Der zentrale Mechanismus des Schwingenflugs ist eine gekoppelte Schlag- und Drehbewegung. Eine elementare Herleitung für diesen Mechanismus wird vorgestellt.
An einem Schwingenflugmodell nach Art eines Lilienthalschen Rundlaufs, entwickelt zusammen mit dem Feinmechaniker F. Scharstein, wird die Entstehung von Vortrieb und Auftrieb demonstriert. Beide Größen lassen sich am Modell quantitativ erfassen. Die Elemente einer Unterrichtseinheit „Physik des Fliegens“ für die Sekundarstufe II werden skizziert und die Motive hierzu erörtert. Das Konzept stellt den Luftwiderstand und seine Überwindung im Ablauf voran. Die Abfolge beruht auf einem 9-stündigen Unterrichtsversuch mit einem Leistungskurs Physik.

Literatur und Referenzen:
[1] O. LILIENTHAL, Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst, Nachdruck der Originalausgabe von 1889, Harenberg, Dortmund 1982
[2] W.BIRNBAUM, Der Schlagflügelpropeller und die kleinen Schwingungen elastisch befestigter Tragflügel, Z. f. Flugtechnik und Motorluftschiffahrt 11/12 (1924), 128-134
[3] E.VON HOLST, Untersuchungen zur Flugbiophysik I: Messungen zur Aerodynamik kleiner schwingender Flügel, Biol. Zentralblatt, Band 63 (1943), 289-326
[4] E.VON HOLST, Über "künstliche Vögel" als Mittel zum Studium des Vogelfluges,
Journal für Ornithologie, Band 91 (1943), 406-447
[5] K. HERZOG, Anatomie und Flugbiologie der Vögel, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1968
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[7] W. SEND, Aerodynamik des Tierflugs, MNU 47/3 (1994), 131-142
[8] G. RÜPPELL: Technik des Vogelfluges, Braunschweig 1968-1977, IWF Göttingen, D 1368 (14.5 min)
[9] E. ROLLER, Schulversuche zur Fluglehre, Carl Heymanns Verlag, Berlin 1936
[10] B. HEEPMANN, Flug und Fliegen, Cornelsen Verlag, Berlin 1996
[11] M. Van DYKE (Ed.), An Album of Fluid Motion, The Parabolic Press, Stanford, Cal., 1982
[12] P. JACKSON (ed.), Jane’s All the World’s Aircraft 1995-1996, Int. Thomson Publ. Comp.


W. Send, Subsidiäre Schuberzeugung mit gekoppelten Biege- und Torsionsschwingungen in transsonischer Strömung (PDF, 0.5 MByte), Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 1999, Berlin 27.-30. Sept.

Übersicht: Die technische Nutzung der gekoppelten Biege- und Torsionsschwingung (CBT*) zur subsidiären Schuberzeugung wird sicherlich vor einer längeren Phase der Erprobung und Entwicklung stehen, bevor an einen Einsatz im Flugzeug zu denken ist. Gleich am Anfang dieses Wegs steht jedoch die entscheidende Frage:
Ist Schuberzeugung durch CBT in transsonischer Strömung noch möglich und wie hoch ist der Wirkungsgrad?
Die Arbeit belegt exemplarisch die Aussagen, dass
1. die Gesetzmäßigkeiten der dynamischen Schuberzeugung mit CBT in subsonischer Strömung grundsätzlich auch in transsonischer Strömung gelten und dass
2. der Wirkungsgrad von erzielter Schubleistung zu aufgebrachter Leistung bei Biegung und Torsion transsonisch ebenfalls sehr hoch sein kann.
Im hohen aerodynamischen Wirkungsgrad um 90 % im Flügelquerschnitt wie in der dynamischen Auffächerung des Randwirbels beim 3D Flügel liegt auch der potentielle technische Nutzen für die Widerstandsverminderung bis hin zur subsidiären Schuberzeugung.
Eine einfache Modellbildung gestattet es, die wesentlichen Mechanismen nachvollziehen zu können. Das Modell gestattet auch quantitative Aussagen zu den erwarteten Effekten. Darlegt wird, warum der theoretisch mögliche Parameterbereich maximaler Schuberzeugung ungeeignet ist und in der Natur auch keine Vorlage hat. Den Abschätzungen sind vorangestellt Euler-Rechungen für das Profil eines Verkehrsflugzeugs und Vergleiche zum subsonischen Bereich.
Die Größenordnungen sind erläutert an einem Modellflugzeug mit CBT Antrieb und an einem Verkehrsflugzeug mit subsidiärer Schuberzeugung.
  *) Der Autor schlägt CBT (Coupled Bending and Torsion) für den länglichen Ausdruck gekoppelte Biege- und Torsionsschwingung vor und verwendet diese Kurzform in der Arbeit weitgehend.

Literatur
[1] V. CARSTENS, Computation of the Unsteady Transonic 2D Cascade Flow by an Euler Algorithm with Interactive Grid Generation, AGARD CP 507, Transonic Unsteady Aerodynamics and Aeroelasticity, San Diego, USA, October 7-11, 1991.
[2] W. BIRNBAUM, Das ebene Problem des schlagenden Flügels, ZAMM 4 (1924), 277-292
[3] W. BIRNBAUM, Der Schlagflügelpropeller und die kleinen Schwingungen elastisch befestigter Tragflügel, ZFM 11/12 (1924), 128-134
[4] H.G. KÜSSNER, Zusammenfassender Bericht über den instationären Auftrieb von Flügeln, Luftfahrtforschung 13 (1936), 410-424.
[5] TH. THEODORSEN, General Theory of Aerodynamic Instability and the Mechanism of Flutter, N.A.C.A. Report No. 496 (1935).
[6] I.E. GARRICK, Propulsion of a Flapping and Oscillating Airfoil, N.A.C.A. Report No. 567 (1936).
[7] W. SEND, Otto Lilienthal und der Mechanismus des Schwingenflugs - Zum Gedächtnis an Otto Lilienthals Tod 1896 vor 100 Jahren, Deutscher Luft- und Raum-fahrt-kongress 1996, Dresden, 24.-27. Sept., Vortrag DGLR-JT96-030
[8] E. VON HOLST, Untersuchungen über Flugbiophysik I., Messungen zur Aerodynamik kleiner schwingender Flügel, Biol. Zentralblatt 63 (1943), 289-326
[9] E. VON HOLST, D KÜCHEMANN, Biologische und aerodynamische Probleme des Tierflugs, Die Naturwissenschaften Jahrg. 29 (1941), 348-362
[10] E. J. MAREY, Le Vol des Oiseaux, Paris 1890, Éditeur G. Masson.
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[13] W. SEND, Zur Lösung des räumlichen Interferenzproblems in der Instationären Aerodynamik, DLR-FB 95-42, Köln 1995.
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