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Automatisierte Vermessung und Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften seilgebundener, vollflexibler Tragflächen
Hummel, Jan
Die Entwicklung und Bedeutung vollflexibler, seilgebundener Tragflächen ist seit der Jahrtausendwende stark vorangeschritten. Grund hierfür ist zum einen die quantitative Zunahme an weltweiten Institutionen, welche sich mit der Höhenwindenergienutzung (AWE) beschäftigen, und zum anderen die steigende Popularität des Kitesurfsports.
Mit den bisherigen Entwicklungsmethoden konnte bereits ein hoher Reifegrad auf Produktebene erreicht werden, jedoch wurde dieser vorwiegend durch die empirische Variation der Schirmparameter realisiert. Messungen mit reproduzierbaren Steuereingaben unter gleichbleibenden Bedingungen konnten bisher nicht durchgeführt werden.
Zunächst werden die zu messenden statischen und dynamischen Eigenschaften aufgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Eigenschaften als dynamisch bezeichnet, welche gegenüber variablen Steuereingaben oder Schirmpositionen ermittelt werden. Anhand dieser Eigenschaften erfolgt die methodische Prüfstandsentwicklung. Hierbei liegen die Schwerpunkte auf der konstanten Strömungserzeugung am Schirm, der Vermessung des gesamten Kitesystems zur realitätsnahen Messdatengenerierung sowie der Möglichkeit, wiederholbare, automatisierte Manöver einzuleiten.
Durch diese Arbeit wird die objektive Messung ausgewählter Schirmeigenschaften hochflexibler seilgebundener Tragflächen ermöglicht. Die Messergebnisse können einerseits zur Weiterentwicklung und Charakterisierung dieser Tragflächen genutzt werden und andererseits können anhand der Ergebnisse Simulationsmodelle validiert und verbessert werden.
Die ausgewählten dynamischen Eigenschaften können erfolgreich mit Hilfe des Manövers „lineares Powern“ bestimmt werden. Hierbei wird das Längenverhältnis zwischen Frontleinen und Steuerleinen automatisiert über einen definierten Weg abgefahren. Der Pilot kann Steuereingaben tätigen, um den Schirm in seiner Position zu halten. Dieses Manöver ermöglicht somit die Vermessung der Schirmeigenschaften gegenüber dem Längenverhältnis zwischen Front- und Steuerleinen.
Weiter kann gezeigt werden, dass die entwickelte Messmethode dazu geeignet ist, grundlegende Schirmdesignkonzepte aufgrund ihrer gemessenen Eigenschaften, miteinander zu vergleichen. Auch subjektive Bewertungskriterien zur Charakterisierung von Kitesurfschirmen können objektiv bestätigt werden.
Die vorliegende Arbeit kann somit einen entscheidenden Beitrag zur Evaluierung von Folgekonstruktionen und Simulationsmodellen vollflexibler, seilgebundener Tragflächen leisten.
Since the turn of the millennium, the design and significance of highly flexible tethered airfoils has increased considerably. In particular, this has been attributed to the quantitative growth of global institutions involved in airborne wind energy (AWE) as well as the rising popularity of kitesurfing. While, existing design methods have proven useful in achieving a high degree of maturity on product level, this has primarily been accomplished by the empirical variation of wing parameters. Measurements, which include reproducible steering inputs, within the same conditions have not been carried out yet.
In a first step, the static and dynamic properties that need to be measured are specified. In the scope of this thesis, airfoil properties are defined as dynamic, which are determined against variable control inputs or kite positions. Based on these properties, the methodical test bench design is carried out. In this context, the focus is on the constant airflow generation at the kite, the measurement of the entire kite system under realistic conditions, and the possibility to initiate repeatable, automated maneuvers.
With the findings described in this thesis, an objective measurement of specific dynamic wing properties of highly flexible tethered airfoils will be facilitated. The measuring results are essential for the development and characterization of these airfoils as well as for the validation and improvement of simulation models.
The selected dynamic properties are successfully determined by using the “Linear Power” maneuver. Hereby, the ratio between front lines and control lines is varied fully automated within a predefined length. At the same time, the pilot steering the kite can still perform control inputs to keep the kite in positon. This maneuver allows the measuring of the kite property depending on the length ratio between front and control lines.
Furthermore, it was demonstrated that the method is suitable for comparing basic airfoil design concepts, based on the in-depth measurements of the kite properties. In addition, subjective evaluation criteria used for the characterization of surf kites were objectively confirmed.
The thesis makes a decisive contribution to the evaluation of follow-up designs and simulation models of highly flexible tethered airfoils.
