På vej mod L/D 100

Passionerede svæveflyvepiloter skal nu tilføje navnet “Nixus” til en ny klasse af fly med ekstrem performance.

Nixus, som NORDIC GLIDING har skrevet om flere gange er navnet på en nyt teknisk/videnskabelige flyprojekt designet af Paulo Iscold og finansieret af Sergio Lins Andrade.

Under en præsentation på årets OSTIV-kongres (som altid er under VM, denne gang i Hosin, Tjekkiet) berettede Loeks Boermanns fra TU Delft om sin rolle i Nixus- og Concordia-projekterne og de mange teknologier som er nødvendige for at komme nærmere på glidetal 100. De fleste svæveflypiloter vil nok være overraskede over, hvor mange nye teknologier der er integreret for at drive dette store spring i præstation.

OSTIV er det internationale videnskabelige og tekniske organ for svæveflyvning. Det er udvekslingen af den vigtigste viden og praksisser i dette forum, som har ført til en høj teknisk og sikkerhedsmæssig standard i sporten. Så det var ganske naturligt, at Loek, en af verdens førende aerodynamikere og tidligere OSTIV-præsident, rapporterede om den historiske udvikling af vingeprofiler og andre nylige fremskridt i teknologier, som normalt er et mysterium for mange svæveflyvepiloter.

Concordia passerer glidetal 70
Amerikanske Dick Butler og hans Concordia-projekt bør nævnes for sine landvindinger med high-performance-svævefly. Butler er flyingeniør og konkurrencepilot i USA siden 1968 og er kendt for sin professionelle tilgang til forberedelse og flight testing af nye svævefly. I starten af 2003 grundlagde Dick et team, der omfattede Loek Boermans, Gerhard Waibel og Christian Streifeneder. Missionen var et kompromisløst nyt FAI åbenklasse-design med et glidetal på 76. Dette overstiger glidetallet på 70 for den første eta med 31 m spændvidde som fløj første gang i 2000 (se evt artikel om eta-prøveflyvning i NG 3, 2018).

Dick Butlers mesterværk; Concordia med ASW-fuselage og prototype-vinger, som glider fantastisk, men er så komplicerede, at de er umulige at serieproducere. Glidetal 50 ved 200 km/t! Her fotograferet til VM i Polen, 2014. (foto: Jens Trabolt)

Med Concordia deltog Dick Butler i 2012 for første gang i de amerikanske mesterskaber i Minden – og med en vis succes. Concordia har bemærkelsesværdige design-features, men er helt i overensstemmelse med de (få) regler, der definerer åbenklasse-fly. Med en spændvidde på 28 m, et ekstremt sideforhold på 57,4 og en maksimal vægt på 850kg, er den maksimale vingebelastning over 62kg/m2. Eta har bare 44kg/m2.

Reglerne for åbenklasse-design siger tydeligt, at der ikke må være ”boundary layer suction”. Concordia har dog blæse-turbulatorer, hvor den laminare luftstrømning på oversiden af vingen af huden udløses (trippes) til turbulent ved små luftstråler udtømt fra en række små huller på undersiderne af flaps og krængeror ved ca 95% af vingekorden.

Med den klare hensigt at vinde mesterskaber er Concordia-designet optimeret til flyvning ved 200 km/t. Det er betydeligt hurtigere end tidligere kommercielle designs. Ved denne relativt høje hastighed (for svævefly) har Concordia en synkehastighed på bare 1 m/s og et imponerende glidtal på 50: 1. Det tager tid at vænne sig den performance, og selv efter flere års flyvning i Concordia siger Dick Butler, at han ofte går på slutglid alt for højt.

For at få denne ekstreme performance, er det absolut nødvendigt med en super-fokuseret opmærksomhed på at forstå alle luftstrømmene rundt hele svæveflyet ved forskellige flyveforhold og skabe nye måder at reducere modstand i små, men trods alt effektive mængder. Loek giver specielt kredit for Concordia-vingeudformningen til Johannes Dillinger, en af hans masterstuderende på det tidspunkt. Projektet gav Dillinger en ”Cum Laude”- eksamen fra det tekniske universitet i Delft.

Concordia (foto: Jens Trabolt)

Vingedesignet er et resultat af en stor indsats med 13 forskellige vingeprofiler på hver vinge. De er hver optimeret til de varierende længder på korden. I vingesektionen nærmest fuselagen ændres vingeprofilerne sømløst. Det producerer en overgang fra et stærkt laminært flow til et mere turbulent boundary layer på over- og undersider. Dette plus et ændret twist af den aerodynamiske profil af indervingen hjælper disse features med minimere induceret- og interferens-modstand samt med at kontrollere lokale flow-separationer. Ydervingen er optimeret til aero-elastisk nul-twist ved 200 km/t takket være både NASTRAN (NASA STRucture Analysis, red.) og Morpheus-software, hvilket resulterede i lavere modstand ved højere hastigheder.

Vingeprofilernes historie
De fleste svæveflypiloter er nok bekendt med de grundlæggende aerodynamiske krav til reduktion af modstand. En vinge skal have et højt sideforhold (altså en lang, smal vinge, red.) for at reducere modstand induceret ved at producere løft, som varierer elliptisk langs spændvidden. Men ved højere hastigheder dominerer profilmodstanden (såkaldt ”skinfriction” og tryk), så vingerne skal også være så tynde som muligt og have et tyndt, laminart boundary-layer over en så stor del af korden som muligt (fra forkant til bagkant).

Den laminare strømning bør være ”robust” og spænde over et bredt spektrum af indfaldsvinkel (Angle of Attack (AoA) som muligt (såkaldt drag bucket). Hvis den ikke er designet korrekt for at tage højde for et øgende tryk mod bagkanten, kan det under visse forhold resultere i en ukontrolleret separation af laminare boundary-layer fra vingeoverfladen og forårsage en stor stigning i modstand.

Som Loek forklarede på OSTIV-kongressen, kan ældre vingeprofiler (1967) som Wortmann FX-67-K-150 og FX-67-K-170 forsinke (fördröja) overgangen fra laminar til turbulent low i op til halvdelen af den øvre vingeoverside – i op til den maksimale indfaldsvinkel (AoA). Men blev denne profiltype kontamineret med smuds, insekter eller regn havde det tendens til tidlig separation, og i stall-området gav dette profil en meget høj modstand, så det blev ”pensioneret” tidligt til fordel for nyere designs.

Et af dem var Horstmann-Quast HQ-17-profilen fra 1980 som blev anvendt med god effekt på legendariske svævefly som ASW 22 og ASH 25. Senere kom Boermanns-designs som DU89-134 / 14-vingeprofiler til konstruktioner som fx ASH 26, ASH 31 og ASG 29. Med dette profil var der indledningsvist bekymringer for om, at boundary layer ikke ville forblive laminart over overgangen mellem vingen og krængeror på vingens underside. Men den bekymring viste sig ubegrundet.

Loek Boermans nyere og tyndere DU97-127 / 15M-profil kom i tjeneste på Lange Antares, men flere år senere er high-performance-fly som ASH-30, ASG-32, EB-29R monteret med DU08-130/15-typen af vingeprofiler som angiveligt stiger bedre i turbulent termik.

”Partners in crime” T.v. Brasilianske Paolo Iscold og Loek Boermans fra TU Delft arbejder på Nixus-projektet.

Nixus, fly-by-wire
Nixus-projektet fokuserer på at udvikle en svævefly til forskningsformål. Hovedingrediensen er en ny vinge på 28 m spændvidde monteret på en ASH 30 åbenklasse-fuselage. Forholdet mellem vægt og vingeareal giver en ekstrem vingebelastning på 50,1 – 66,7 kg/m2. Med et sideforhold på 53,5 er vingen, præcis som Concordia, utrolig smal i korden. Autoklavehærdede vingebjælker og ny kulfiberteknik giver den krævede styrke og stivhed i vingekonstruktionen.

Fem af de seks flaps per side bliver servo-styrede med “fly-by-wire” for at give optimale flapdeflektioner med minimal modstand og maksimal kontrol under alle aspekter af flyets flight regime (roll, glid etc). Udvendige flaperons (kombinationen af flaps og krængeror) styres dog af fysiske forbindelser af sikkerhedsmæssige årsager. Det er dog ikke et åben klasse-fly, for den maksimale vægt på 980 kg og fly-by-wire-flaperons overskrider grænserne for reglerne i den åbne klasse. Første flyvning af Nixus er ikke langt ude i horisonten.

Den brasilianske Nixus-projekt, som essentielt er en ASH 30-fuselage med nye vinger, hvor 5 af de 6 flaperons er computerstyrede.

Nixus inkorporerer den nyeste familie af vingeprofiler som strækker det laminare boundary layer i op til 75% på den øvre vingeoverflade og 95% på den nederste. Her er grænset nået, mener professor Boermans. At forsøge at udvikle videre på vingeprofilen ville resultere i separationsproblemer og give uacceptable konsekvenser. Derfor søgte han det bedste alternativ, og det viste sig at være det meget omtalte ”boundary layer suction”. Men den udvikling må afvente et fremtidigt projekt, da Nixus ikke anvender sugning.

Loek Boermans principskitse af ”Boundary Layer suction”. Projektet har i princippet 2 ”problemer” som skal løses i praksis: Hvordan borer man millioner af huller på oversiden af vingen, og hvordan sikrer man sig, at den luft som suges ind også kan komme ud?

Boundary Layer Suction
Den hellige gral, boundary Layer (BL) Suction har været et mål for aerodynamikerne i mange år, men den svigtende udvikling i teknologien skyldes hovedsageligt brist på egnede porøse materialer. Teknologien accepteres i øvrigt for øjeblikket ikke i åben klasse, fordi luften som skal suges ind i vingen også skal blæses bagud. Dette kan fortolkes som drivkraft, eller med andre ord et fremdrivningsmiddel – og så flyver vi ikke længere svæveflyvning, men motorflyvning. Slutmålet er at sikre laminar boundary layer flow på den øvre vingeoverflade helt tilbage til bagkanten. Dette reducerer profilmodstanden med 50 % ved lav hastighed og op til til 70 % ved høj hastighed.

I praksis kræver et BL-sugesystem en let (1%) porøs vingeoverflade på tværs af hele spændvidden. Et lavere tryk skal opretholdes internt i vingen sammenlignet (jämfört) med eksternt, og den resulterende indre luftstrøm blæses ud fra vingen med en hastighed, der ikke er hurtigere end den frie luftstrøm for at undgå en netto thrust. Dette kan opnås med millioner af små laserborede huller med en diameter på 0,1 mm fordelt på hver millimeter af vingens overside. Til projektet har Stuttgart Universitet designet en innovativ indre vingestruktur – en kerne med huller som automatisk justerer mængden af sugning over overfladen ved alle flyvehastigheder. Luftstrømmen kanaliseres ind i kroppen og gennem pumpen / kompressoren og udtømmes gennem den bagerste del af fuselagen.

Sugning af boundary layer har dramatiske konsekvenser for performance. Et standardklassefly (15 m, ingen flaps) som fx ASW 24 ville få et glidetal på op til 60 med dette koncept. (Illustration: Boermans)

Loek Boermans analyser viser, at en ASW-24 med sugning ville forbedre sit glidetal med 35%. For Concordia ville en forbedring i denne skala gøre glidetal 100 til en realistisk mulighed. Strømforbruget til BL- sugning er meget begrænset. (Loek har tidligere nævnt ca. 600 watt. Fx rummer et enkelt 15 kg FES-batteri 2 kWh og ville kunne drive en BL-sugning i op til 3 timer, red.)

Desværre anvendes ca. 80% af den krævede effekt til at returnere den sugede luft fra det indre tryk i vingen og nul hastighed til det eksterne tryk og airspeed. Bare 20 % af energien anvendes til at skabe suget på oversiden af vingen.

Som en afsluttende bemærkning efterlyste Loek, om nogen havde lyse ideer til, hvordan man mest praktisk udtømmer luftmængden fra BL-sugningen uden at ”akkumulere” det først i vingen, da det kunne reducere strømkravet væsentligt.

Med BL-sugning er vi i svæveflyvesporten vidne til udviklingen og fødslen af en potentiel ny klasse af ”hotships”, og Loek Boermans afsluttende bemærkning viste også, at sport og kampen om mesterskaber kan være en mægtig drivkraft i udvikling af ny teknologi:

”Hvorfor ikke etablere en ny klasse, hvor hver pilot har en vis mængde energi, der kan anvendes under en konkurrenceflyvning, og målet er at gøre det bedst muligt?”.