Ludwig Prandtl Gedächtnis-Vorlesung

Jahrestagung 2005 der GAMM (Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik)
28.März bis 1. April 2005,
Universität Luxemburg


Die Entwicklung des Pfeilflügels, eine technische Herausforderung

Hans-Ulrich Meier
Technische Universität Clausthal

Die Geschichte über die Entwicklung des Pfeilflügels ist von verschiedenen Autoren des In- und Auslandes in den letzten 50 Jahren mehrfach beschrieben worden. Dabei standen immer das grundlegende theoretische Konzept des Pfeilflügels von Adolf Busemann, das er 1935 auf dem Volta-Kongress in Rom erstmals vorstellte, und die experimentelle Bestätigung dieser Theorie durch Hubert Ludwieg 1939 in der Aerodynamischen Versuchsanstalt in Göttingen (AVA) im Vordergrund der Betrachtungen. Es liegt bisher keine detaillierte Dokumentation über den Weg von der eigentlichen Idee bis zum Produkt, der Anwendung des Pfeilflügels für die Verwirklichung des Hochgeschwindigkeitsfluges, vor. Zusammen mit sechs weiteren Kollegen wurde deshalb eine Recherche in Bibliotheken und Archiven des In- und Auslandes durchgeführt, um wichtige, bisher nicht verfügbare oder genutzte Original-Berichte, wissenschaftliche Veröffentlichungen und Dokumente aufzufinden und auszuwerten. Diese Unterlagen ermöglichten eine Analyse und Bewertung der erzielten wissenschaftlichen Ergebnisse und technischen Fortschritte für den Einsatz des Pfeilflügels bei Projekten von Hochgeschwindigkeitsflugzeugen und Flugkörpern in der Zeit von 1935 – 1945 in Deutschland. Die Ergebnisse werden in Kürze in einem Buchi veröffentlicht. Darin werden Problem- und Fragestellungen der Versuchs- und Messtechnik, der Aero- und Gasdynamik und der Aeroelastik behandelt. Ausserdem wird über die Erfahrungen bei der Entwicklung und Erprobung der ersten Strahlflugzeuge mit Pfeilflügeln und Flakraketen mit Pfeilflügeln sowie Flügeln kleiner Streckung berichtet. Da über die Strahltriebwerksentwicklungen in diesem Zeitraum in Deutschland bereits ausführliche Dokumentationen vorliegen, wurden primär Lösungen zur Triebwerksintegration, dem Triebwerkseinlauf und der Verdichterentwicklung dargestellt. Die Dokumentation wird anhand von ausgewählten Beispielen über die Nutzung der deutschen Kenntnisse in den alliierten Siegerländern abgeschlossen.

In der Ludwig Prandtl Gedächtnisvorlesung werden einige Ergebnisse dieser Dokumentation vorgestellt. In einem historischen Rückblick werden zunächst Prandtls Verdienste bei der Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsfluges gewürdigt. Es wird dabei verdeutlicht, dass seine weltweit berühmten wissenschaftlichen Beiträge zur Grenzschichttheorie (1904), Prandtl-Meyer Eckenströmung(1907), Tragflügeltheorie (1918) und Prandtls Konzept des Beschleunigungspotentials (1935/1936) wesentliche Grundlagen - auch für die Pfeilflügelentwicklung - lieferten. Im Vordergrund der weiteren Recherchen stehen die Fortschritte auf dem Gebiet der Aero- und Gasdynamik, die für die Realisierung des Hochgeschwindigkeitsfluges bis 1945 eine wesentliche Voraussetzung waren. Nach Busemanns Vorstellung des Pfeilflügelkonzeptes wurde von 1935 bis 1945 der Ausbau von vorhandenen und neuen Forschungszentren durch das Reichsluftfahrtministerium RLM unter der Leitung von Adolf Bäumker mit nahezu unbeschränkten Mitteln vorangetrieben. In einer kritischen Analyse wird gezeigt, welche der neuen Versuchsanlagen und Messtechniken für die Untersuchung von Hochgeschwindigkeitsprojekten für verlässliche Messungen geeignet waren. Wie auch in Fachkreisen nicht allgemein bekannt ist, führten bereits 1940 neue Entwurfskriterien und Berechnungsverfahren zur erfolgreichen Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsprofilen, deren Grundkonzept den heutigen „Superkritischen Profilen“ sehr ähnlich war. Die experimentelle Validierung und Optimierung dieser Profilentwürfe in Hochgeschwindigkeitswindkanälen erfolgte in enger Zusammenarbeit mit der Luftfahrtindustrie, die über eigene große Forschungs- und Entwurfsabteilungen verfügte. Diese neuen Profile wurden erstmalig bei deutschen Strahlflugzeugen eingesetzt. Die 1939 von H. Ludwieg durchgeführten Prinzipuntersuchungen an verschiedenen Pfeilflügeln hatten eine deutliche Verringerung des Widerstandes bei kompressiblen Strömungen, aber auch die Abnahme des Auftriebs und negative Einflüsse auf die flugmechanische Stabilität aufgezeigt. Weitere Probleme wurden bei Pfeilflügeluntersuchungen im Bereich niedriger Geschwindigkeiten beim Hochauftrieb und hinsichtlich der Stabilität festgestellt. Die daraus resultierenden Aufgabenstellungen lösten weitere umfangreiche Arbeiten zur Flügeloptimierung im gesamten Geschwindigkeitsbereich aus. Ähnlich wie bei der Profilentwicklung unterstützten hierbei neue Berechnungs- und Entwurfsverfahren für den Pfeilflügel – ganz im Sinne von Ludwig Prandtl - eine effiziente Vorgehensweise bei den experimentellen Untersuchungen im Windkanal. Auf dieser Basis und in enger Zusammenarbeit mit den Hochschulen und der Industrie wurden bei umfangreichen Grundlagenuntersuchungen an Prinzipmodellen und Flugzeugentwürfen Lösungen erarbeitet, die teilweise noch heute im Flugzeugbau ihre Anwendung finden. Abschließend werden einige Beispiele deutscher Pfeilflügelprojekte beschrieben, deren Technologie nach 1945 einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung und den Bau der nächsten Generation militärischer und ziviler Hochgeschwindigkeitsflugzeuge nach dem 2. Weltkrieg hatten.

 

Auszug aus

Der Pfeilflügel
Die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsflugzeugen in Deutschland bis 19451

Hans-Ulrich Meier (HUM), Hrsg.
unter Mitarbeit von Burghard Ciesla (BC), Hans Försching (HF), Hans Galleithner (HG),
Werner Heinzerling (WH), Bernd Krag (BK), Helmut Schubert (HS)

Kurzbeschreibungen finden Sie unter den Links zu den einzelnen Kapiteln

Vorwort

  1. Historischer Rückblick zur Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsaerodynamik (HUM)2
  2. Der Hochgeschwindigkeitsflug und seine aero- und gasdynamischen Herausforderungen (HUM)3
    Einleitende Bemerkungen
    2.1. Neue Versuchsanlagen für die experimentelle Untersuchung von Hochgeschwindigkeitsflugzeugen
    2.2. Neuentwicklung und Verbesserung der Versuchs- und Messtechnik
    2.3. Fortschritte in der Entwurfsaerodynamik
    (HUM und WH)
  3. Entwicklung der deutschen Turbostrahltriebwerke zur Serienreife (HS)
  4. Aeroelastische Probleme in kompressibler Unterschall- und transsonischer Strömung (HF)
  5. Einfluss der Kompressibilität auf die Flugeigenschaften (HG)
  6. Erfahrungen bei der Entwicklung und Erprobung der ersten Strahlflugzeuge mit Pfeilflügeln (BK)
  7. Besonderheiten bei Flugabwehrraketen: Pfeilflügel oder Flügel mit kleiner Streckung (BK)
  8. Der Transfer der deutschen Hochgeschwindigkeitsaerodynamik nach 1945 in die USA und die Sowjetunion am Beispiel des Pfeilflügelkonzeptes (BC)
  9. Anhänge