Fallstudie: Hochgeschwindigkeitskameras unterstützen den Flügelverformungstest in Windkanälen
In dieser Windkanal-Testanwendung entschieden sich die deutsch-niederländischen Windkanäle für Emergent 10GigE-Kameras mit 20 MP CMOS-Sensoren, da ihre Glasfaserschnittstelle es ihnen ermöglichte, alle vier Kameras von der Windkanalsimulation auf einem einzigen Remote-PC zu betreiben.
German-Dutch Wind Tunnels (DNW) ist einer der führenden Windkanal-Dienstleister weltweit und wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Königlichen Niederländischen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (NLR) gegründet. DNW betreibt sechs Windkanäle in Deutschland und den Niederlanden, darunter in Braunschweig, Göttingen, Amsterdam und am Hauptsitz von DNW in Marknesse. Durch das Platzieren von Flugzeugen, Fahrzeugen, Gebäuden oder anderen festen Modellen in einem Luftstrom mit bekannter Geschwindigkeit ermöglichen Windkanäle Forschern, die Luftströmung um Objekte herum oder die Wirkung von Wind auf Objekte zu untersuchen. DNW betreibt einen der größten Windkanäle Europas und bietet experimentelle Simulationslösungen für aerodynamische Forschungs- und Entwicklungsprojekte aus dem akademischen Bereich und der Luftfahrtindustrie sowie aus der Automobil-, Bau-, Schiffbau-, Sport- und anderen Industrien.
DNW bietet experimentelle aerodynamische Simulationen an. Durch den Betrieb von sechs Windkanälen, darunter Unterschall-, Transschall- und Überschallanlagen, kann DNW fast alle Luftströmungseigenschaften auswerten, die in Technik und Natur zu finden sind. DNW liefert der Industrie Daten aus aerodynamischen, aeroakustischen und aeroelastischen Simulationstechniken, indem es (skalierte) Modelle in einer kontrollierten Umgebung testet. Es bietet eine große Auswahl an Simulationen. Zu den typischen Anwendungen gehören die Leistungscharakterisierung von Start-, Lande- und Reiseflugzeugkonfigurationen; aeroakustische Untersuchungen zur Flugzeugzellen-Lärmminderung; und Simulation des Flugzeugantriebs sowohl in isolierten als auch in installierten Konfigurationen.
Windkanaltests sind in der Regel hoch spezialisiert und herausfordernd (Abbildung 1). Windkanalmodelle sind komplex und Instrumente sind Hightech. Neben extrem engen Fertigungstoleranzen und akribischer Oberflächenveredelung sind die Modelle mit einer Vielzahl von Mess- und Steuersystemen wie Kraftwaagen, Druckluftmotoren und Fernsteuerungen ausgestattet. Darüber hinaus erfordern aerodynamische und aeroakustische Simulationen oft eine ausgefeilte Technik. Beispielsweise wird für den In-Ground-Effekt der Boden unter dem Prüfobjekt mit einem integrierten Laufbandsystem simuliert. Das Rollband, auch Rollbandsystem genannt, ist ein 7.92 x 9.6 m großes Stahlband, das in den Windkanalboden integriert ist. Bis zu Windgeschwindigkeiten von 80 Metern pro Sekunde bewegt es sich synchron mit der Luft. Die Integration aller Simulations-, Steuerungs- und Messtechnologien in einen produktiven, kostengünstigen Windkanaltest ist eine gewaltige Aufgabe. Hochqualifizierte Mitarbeiter von DNW arbeiten eng mit Kunden und Lieferanten zusammen, um Projekte im Detail vorzubereiten und an innovativen Lösungen für eine nachhaltige Luftfahrt der Zukunft zu arbeiten.
Abbildung 1: Ein Modell eines Dassault Falcon Business Jets in unmittelbarer Nähe des sich bewegenden Bodenflugzeugs im DNW-LLF-Windkanal (Bild mit freundlicher Genehmigung von Dassault Aviation).
Stereoskopisches Punktverfolgungssystem
Eine Schlüsselfunktion für DNW besteht darin, so viele hochwertige Daten wie möglich aus einem Windkanaltest zu extrahieren. Um die Qualität und Wirtschaftlichkeit seiner Dienstleistungen zu steigern, entwickelt DNW kontinuierlich hochkarätiges Know-how in Messtechniken und Analyse von Testergebnissen. DNW setzt routinemäßig Techniken zur Messung von Oberflächendrücken, Kräften, Geschwindigkeit und Lärm ein. Die Bewertung der Flugzeugleistung erfordert eine genaue Kenntnis der genauen Propeller-, Rotorblatt- und Flügelgeometrie. Unter den verschiedenen Windlasten, die vom Start bis zur Landung auftreten, verformen sich Teile des Windkanalmodells, was zu einer Verbiegung und Verdrehung der Flügel führt. EIN Stereoskopisches Punktverfolgungssystem Das von DNW entwickelte Modell misst solche Modellverformungen durch gleichzeitiges Verfolgen von Markern aus verschiedenen Winkeln während Windkanaltests.
Das System ist flexibel genug, um eine Vielzahl experimenteller Simulationen zu ermöglichen und praktisch jede Markermenge, -verteilung und -anordnung zu handhaben. Ein aktueller Antrag ist ein EU-finanziertes Projekt namens UHURA (gefördert unter EU Horizon 2020 Grant Agreement Nr. 769088). Das UHURA Projekte zielt darauf ab, numerische Werkzeuge für instationäre Hochauftriebsaerodynamik zu entwickeln. Die Krueger-Klappe, ein hochmodernes Gerät, verspricht, die Laminarflügeltechnologie zu ermöglichen. Diese Technologie wird als wichtigste Einzelquelle für die Reduzierung des Luftwiderstands an der Flugzeugzelle eines Transportflugzeugs angesehen und wird eine Schlüsseltechnologie beim Erreichen der Ziele zur Emissionsreduzierung sein. Die Krueger-Klappe könnte eine doppelte Funktion erfüllen, indem sie sowohl die aerodynamische Hochauftriebsleistung erhöht als auch die Vorderkante vor Verunreinigungen während des Starts und der Landung schützt. Aufgrund des spezifischen Einsatzpfads benötigen Ingenieure gute Kenntnisse der Strömung während des Übergangsverhaltens und der genauen Position und Geometrie der Teile.
Experimentelle Messungen aus DNW-Windkanälen geben UHURA einen einzigartigen Datensatz zur Validierung fortschrittlicher Computational Fluid Dynamics (CFD) Modelle. Mit detaillierten Durchflussmessungen aus Particle Image Velocimetry (PIV) und Modelldeformationsmessungen können Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und der Flügelstruktur untersucht werden. Das daraus resultierende Verständnis fließt in Techniken zur Verhaltensvorhersage und Designoptimierung von Hochauftriebsvorrichtungen für Transportflugzeugsysteme ein. Solche fortschrittlichen Methoden ermöglichen komplexere Teilekonstruktionen und eine erhebliche Reduzierung der Konstruktionsvorlaufzeiten für Flugzeughersteller.
Lange Kamerakabelwege erforderlich
Je nach Art des Tests verwendet DNW zwei oder vier HR-20-Kameras mit 10 MP und 20000 GigE von Emergent Vision Technologies (Abbildung 2), um Windkanalmodelle zu überwachen, die mit berührungslosen Markern ausgestattet sind. HR-20000-Kameras sind mit dem 35-mm-Vollformat-CMV20000-CMOS-Sensor im optischen Format von AMS ausgestattet. Bei voller Auflösung von 5120 × 3840 erreicht diese Kamera 32 fps. Der HR-20000 bietet außerdem eine Multi-Kamera-Synchronisation mit < 1 µs und geringem CPU-Overhead. Das Stereokamera-Setup erfordert, dass vier Kameras in einigen Abständen voneinander in Windkanälen montiert werden, damit sie Bilder von Markierungen aus verschiedenen Winkeln aufnehmen können. Laut Gerrit Feenstra, Instrumentierungsingenieur bei DNW, wurden die HR-20000-Kameras aufgrund ihres hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses und einer Glasfaserschnittstelle ausgewählt, die Kabelstrecken von bis zu 10 km ermöglicht, ohne dass Glasfaserkonverter oder Repeater erforderlich sind.
„Bevor Emergent seine 10-Gigabit-Ethernet-Glasfaserschnittstelle auf den Markt brachte, hatten wir komplizierte Testaufbauten. Kabellängenbeschränkungen von 2 bis 3 Metern zwischen Kamera und Computer bedeuteten, dass die Stereobildgebungssysteme die Verwendung von zwei PCs im Windkanal erforderten“, erklärt Feenstra. „Die optische Schnittstelle von Emergent passt viel besser, weil wir alle vier Kameras von der Windkanalsimulation auf einem einzigen Remote-PC betreiben können, der an einem viel bequemeren Ort aufgestellt werden kann.“
Abbildung 2: DNW setzt auf HR-20000-Kameras von Emergent Vision Technologies zur präzisen Positionierung von Modellen für Luftfahrtsimulationen und Windkanaltests.
Verformungsmessungen
Basierend auf der Verfolgung der dreidimensionalen Koordinaten von Markern, die auf Testobjekte aufgebracht wurden, wurde die Messtechnik der Stereopunktverfolgung erfolgreich in Projekten eingesetzt, die von reichen Hochgeschwindigkeitsverfolgung von fallenden Objekten und Passagierflugzeug Flügelverformungsmessungen bis hin zu hochpräzisen Helikopter-Rotor-Tracking-Experimenten. Bei diesen Experimenten wird ein Markerraster mit bekannten Koordinaten auf das zu untersuchende Objekt aufgebracht. Markierungen können entweder aktiv gesteuerte bündig eingebaute Lichtquellen oder passive fluoreszierende klebende oder sprühlackierte Markierungen sein.
Während der Modellverformungstests für das UHURA-Projekt nimmt das Emergent-Kamera-Setup Videos von passiven fluoreszierenden Markern auf, die auf einem Modell des Flügels und des Krueger-Geräts angeordnet sind, während sie sich unter verschiedenen aerodynamischen Simulationen im Windkanal aus- und einfahren (Abbildung 3). Die hochpräzisen dreidimensionalen Markierungspositionen, die von kundenspezifischer Bildanalysesoftware erhalten werden, dienen als Eingabe für die Kalibrierungssoftware, die zwischen den zweidimensionalen Bildebenen der Digitalkamera und dem Messvolumen des Modells korreliert.
Eine weitere Bildanalyse bestimmt geometrische Eigenschaften des Modells, wie beispielsweise seine genaue Lage, Position und Biegungs- und Torsionsverteilung. Die Flügelverformung wird durch die Modellierung einer 3D-Finite-Elemente-Oberflächengeometrie (dreieckiges Drahtgitter im Raum ohne Diskontinuitäten) basierend auf einzelnen Markierungsgitterpunkten dargestellt. Daten, die statistische Fehlerschätzungen basierend auf Fehlerfortpflanzungsalgorithmen enthalten, werden in Echtzeit (bis zu 500 Hz) bereitgestellt.
Die räumliche Auflösung des Systems hängt von Kameratyp, Objektivsystem, Modelllängenskala und Markerkonfiguration ab. Pixelauflösungen sind bis zu einem Zehntel Pixel erreichbar. Koordinatenauflösungen sind abhängig von der Größe des Kamerachips und der Modellgröße (Größenordnung 1/(10 * R), wobei R die Anzahl der Pixel pro abgebildetem Meter ist). Für ein typisches Windkanalmodell mit voller Spannweite beträgt die Koordinatenerkennungsgenauigkeit ungefähr 0.5 ‰ der Sehnenlänge für die Flügelverschiebung und 0.1 Grad für die Flügelverdrehung (Torsion).
Abbildung 3: Während Modelldeformationstests für das UHURA-Projekt nimmt die Stereokamera im Windkanal Videos von passiven fluoreszierenden Markierungen auf, die auf einem Modell eines Flügels und Krueger-Klappen angeordnet sind, während sie unter verschiedenen aerodynamischen Simulationen ausgefahren und eingefahren werden.
UV-Beleuchtungstechnik
Während jedes Experiments wird nach dem Einstellen der Windkanalbedingungen die Tunnelbeleuchtung gedimmt und benutzerdefinierte Hochleistungs-405-nm-UV-Lichtquellen werden aktiviert. Um eine ausreichende Beleuchtung und einen ausreichenden Kontrast für die Markierungserkennung durch das Kamerasystem zu erzeugen, verlassen sich die Dutzend oder mehr Lichtquellen, die strategisch im Windkanal platziert sind, auf eine Reihe von 28 30-W-405-nm-LEDs. UV-Lichter beleuchten die Markierungen, die gelb zur Kamera zurückreflektieren. Laut Feenstra unterdrückt die Verwendung eines optischen Langpassfilters die UV-Beleuchtung, lässt aber dennoch fluoreszierendes Licht von den Markern durch. Dadurch entsteht ein kontrastreiches, echtes Schwarz-Weiß-Bild, das die Markerlokalisierung durch den Computer und den Aufbau der 3D-Punktwolke erleichtert.
„Seit 2016 nutzen wir die Emergent-Kameras zur präzisen Positionierung des Modells im Windkanal und zur Verformungsmessung“, sagt Feenstra. „Sie sind Konstanten, immer im Tunnel installiert und laufen bei jedem Test, überwachen kontinuierlich die Positionierung des Modells und verfolgen die Marker. Ihre Funktion ist besonders wichtig bei In-Ground-Effect-Untersuchungen für Start- und Lande-Szenarien, was wir am DNW hauptsächlich tun, da das Modell beschädigt werden könnte, wenn es jemals mit dem Rolling Road System in Berührung kommt, das eine sich unter der Bahn bewegende Landebahn simuliert Flugzeugmodell mit 80 Metern pro Sekunde.“
Zukünftige Designs
Basierend auf dem anfänglichen Erfolg des Projekts mit den 20 MP 10GigE HR-20000-Kameras hat DNW seine Kameras aufgerüstet und zwei HZ-21000-G-Kameras von Emergent Vision Technologies für den zukünftigen Einsatz gekauft. Als Teil der preisgekrönten Zenith-Serie von 100-GigE-Kameras erreichen diese 21-MP-Kameras eine Bildrate von 542 fps über eine QSFP28-100-GigE-Schnittstelle.
Anerkannt als 2022 Top-Innovation Der HZ-21000-G des Magazins inVISION ist mit dem Global-Shutter-CMOS-Bildsensor GSPRINT4521 von Gpixel ausgestattet. Mit den neuen Kameras kann DNW deutlich schnellere Bildraten mit den gleichen Vorteilen erreichen, die die HR-20000-Kameras bieten, einschließlich Multi-Kamera-Synchronisation bei < 1 µs und geringem CPU-Overhead.
FÜR WEITERE INFORMATIONEN:
Hochgeschwindigkeitskameras von Emergent Vision Technologies:
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
