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In this chapter, the key technologies and the instrumentation required for the subsurface exploration of ocean worlds are discussed. The focus is laid on Jupiter’s moon Europa and Saturn’s moon Enceladus because they have the highest potential for such missions in the near future. The exploration of their oceans requires landing on the surface, penetrating the thick ice shell with an ice-penetrating probe, and probably diving with an underwater vehicle through dozens of kilometers of water to the ocean floor, to have the chance to find life, if it exists. Technologically, such missions are extremely challenging. The required key technologies include power generation, communications, pressure resistance, radiation hardness, corrosion protection, navigation, miniaturization, autonomy, and sterilization and cleaning. Simpler mission concepts involve impactors and penetrators or – in the case of Enceladus – plume-fly-through missions.
Ein von der Arbeitsgemeinschaft (AG) Solar NRW und diversen Industriepartnern gefördertes und an der Fachhochschule Aachen, Abt. Jülich durchgeführtes Forschungsprojekt „Blitzschutz für netz-autarke Hybridanlagen“ machte es möglich, sich mit dem Blitzschutz speziell solcher Anlagen näher zu beschäftigen. Vermehrt bekannt gewordene Schadensfälle an nicht netz-gekoppelten Hybridanlagen waren der Auslöser, den Schutz zu überdenken. Definiertes Ziel war es, für netz-autarke energietechnische Anlagen ein Konzept zum Schutz vor Blitzeinwirkungen zu erstellen. Diese Anlagen bestehen üblicherweise aus einer oder mehreren Photovoltaikanlagen, ggf. auch Solarthermieanlagen und einem oder mehreren kleineren Windgeneratoren (sie werden deshalb auch als Hybridanlagen bezeichnet). Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit kann noch ein Dieselaggregat dazukommen. Hybridanlagen werden vor allem in Gebieten mit sehr schlechter öffentlicher Energieversorgung eingesetzt, d.h. insbesondere in relativ dünn bewohnten Gebieten und in Entwicklungsländern. Dem Blitzschutz von Hybridanlagen kommt dabei eine steigende Bedeutung zu. Besonderes Augenmerk in dem genannten Forschungsprojekt sollte dabei auf die technisch/wirtschaftliche Ausgewogenheit des Schutzes gelegt werden: • die Schutzmaßnahmen sollen nur in solchen Fällen eingesetzt werden, wo dies als Ergebnis von Risikoanalysen sinnvoll erscheint; • für typische netz-autarke Hybridanlagen sollen die Schutzmaßnahmen ohne deutliche Verteuerung realisierbar sein (es soll also kein absoluter Schutz realisiert werden; ggf. soll lediglich der auftretende Schaden soweit möglich minimiert werden). Dazu wurde in einem ersten Schritt zunächst eine Aufnahme des Iststandes einiger typischer netz-autarker Hybridanlagen und deren einzelnen Komponenten durchgeführt. Aufgrund dessen wurde eine umfassende Risikoanalyse zur Blitzbedrohung dieser Anlagen auf der Basis von VDE V 0185 Teil 2:2002-11 [1] erstellt. Die Ergebnisse mündeten in ein technisch/wirtschaftlich ausgewogenes Konzept für den Anlagen- Blitzschutz (d.h. insbesondere dem Schutz vor direkten Blitzeinschlägen und deren unmittelbaren Auswirkungen) nach VDE V 0185 Teil 3:2002-11 [2] und für den Elektronik-Blitzschutz (d.h. für den Schutz vor Überspannungen durch direkte, insbesondere aber auch indirekte Blitzeinschläge) nach VDE V 0185 Teil 4:2002-11 [3]. Aufgrund der gesammelten Ergebnisse konnten dabei allgemeine Empfehlungen für den Äußeren und Inneren Blitzschutz von regenerativen Energieerzeugungssystemen erstellt werden. Diese sollen in Schulungen einmünden, die für Hersteller und Betreiber von Hybridanlagen angeboten werden. Durch die Anwendung wird der Schutz der Anlagen vor Blitzeinwirkung und elektromagnetischen Störungen verbessert, was sich in einer reduzierten Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. erhöhten Verfügbarkeit wiederspiegelt. An einigen ausgewählten Anlagen werden mit Hilfe der im Projekt involvierten Industriepartner die Schutzmaßnahmen realisiert. Hierbei entstanden den Eigentümern bzw. Betreibern der Anlagen keine Kosten. In diesem Beitrag werden beispielhaft drei Anlagenprojekte detailliert gezeigt. Es handelt sich dabei um eine Schweinezuchtfarm in Magallón (Spanien, Zaragozza), das bioklimatische Haus (Kreta, Heraklion) und die Tegernseer- Hütte (Deutschland, Lenggries).
Dem Blitzschutz von Anlagen der regenerativen Energien kommt in Zukunft eine steigende Bedeutung zu. Dabei ist es notwendig zu berücksichtigen, dass die Schutzmaßnahmen technisch/wirtschaftlich ausgewogen sind. Erbauer, Besitzer oder Benutzer von netzautarken Hybridanlagen haben zu entscheiden, ob die Anlage einen Schutz braucht oder nicht. Um diese Entscheidung zu fällen, ist eine Risikoanalyse als erster Schritt sinnvoll. Diese muss dabei die für die Hybridanlage relevanten Schadenarten und spezifischen Parameter, Werte und Randbedingungen mit einbeziehen. Dazu ist die Hilfe eines Blitzschutzexperten sehr hilfreich.
In the paper a lightning protection design concept for renewable energy hybrid-systems without power mains connection is described. Based on a risk analysis protection measures against direct strikes and overvoltages are shown in an overview. The design concept is realized exemplarily for the hybrid-system VATALI on the Greek island Crete. VATALI, not lightning protected at that time, was a victim of a lightning strike in the year 2000 causing destructions and damages of some mechanical and electrical components with costs of approx. 60.000 €. The hardware costs for the protection measures were about 15.000 €: about 50% of the costs are due to protection measures against direct strikes, 50% are due to overvoltage protection.
Lightning protection design of a renewable energy hybrid-system without power mains connection
(2001)
In the year 2000 a direct lightning strike to the hybridsystem without power mains connection VATALI on the Greek island Crete results in the destruction and damage of some mechanical and electrical components. The hybrid-system VATALI was not lightning protected at that time. The hardware damage costs are approx. 60,000 €. The exposed site of the hybrid-system on top of a mountain was and still is the reason for a high risk of lightning strikes. Also in the future further lightning strikes have to be taken into consideration. In the paper a fundamental lightning protection design concept for renewable energy hybrid-systems without power mains connection and protection measures against direct strikes and overvoltages are shown in detail. The design concept was realized exemplarily for the hybrid-system VATALI. The hardware costs for the protection measures were about 15,000 €. About 50% of the costs are due to protection measures against direct strikes, 50% are due to overvoltage protection. Future extensions, new installations, or modifications have to be included into the lightning protection design concept of the hybrid-system.
Physische Prototypen, also Anschauungs- und Funktionsmodelle nach den generativen oder Rapid Prototyping (RP) Verfahren haben sich in diesem Zusammenhang vor allem als Hilfsmittel zur effektiven Kommunikation und zur Evaluierung von Produkteigenschaften einen festen Platz in der Produktentstehung erworben. Die positiven Effekte der etablierten RP Verfahren sind unumstritten. Einfachere, schnellere und wirtschaftlichere Maschinen (Prototyper, Fabrikator), vor allem auch für die Büroumgebung, geben neue Impulse im Sinne der Optimierung der heutigen Verfahren. Eine neue Dimension verspricht die Option „Farbe“ der bisher fast ausschließlich monochromen Modelle. Ist Farbe nur „nice to have“ oder welchen Effekt haben farbige Modelle als Werkzeug von Konstrukteuren und Produktenwicklern? Welche Perspektiven bietet „Farbe“ darüber hinaus?
Die Berechnung der Durchströmung von Bauteilen ist gegenüber derjenigen von umströmten Bauteilen deutlich im Hintertreffen. Das liegt vor allem an der fehlenden Verfügbarkeit geeigneter optisch transparenter Modellkanäle für die experimentelle Analyse. Der Beitrag stellt ein Verfahren zur Herstellung transparenter durchströmter Geometrien auf der Basis generativ gefertigter Urmodelle vor. Damit können beliebig komplexe Innenströmungen optisch analysiert werden. Anhand von zwei Beispielen aus der Medizin, der Modellierung der oberen Atemwege und des Bronchialbaums, wird das Verfahren vorgeführt. Der generative Bauprozess mittels 3D-Printing wird beschrieben und die Abformung in transparentem Silikon gezeigt. Schließlich werden beispielhaft der Messaufbau und Ergebnisse der Anwendung vorgestellt. Das Verfahren bildet die Grundlage für die Analyse und Berechnung komplexer Innenströmungen und trägt somit zur Verbesserung zahlreicher technischer Anwendungen bei.
IT-Sicherheit im Automobil
(2014)
Unsteady flow measurements in the wake behind a wind-tunnel car model by using high-speed planar PIV
(2015)
This study investigates unsteady characteristics of the wake behind a 28%-scale car model in a wind tunnel using highspeed planar particle image velocimetry (PIV). The car model is based on a hatchback passenger car that is known to have relatively high fluctuations in its aerodynamic loads. This study primarily focuses on the lateral motion of the flow on the horizontal plane to determine the effect of the flow motion on the straight-line stability and the initial steering response of the actual car on a track. This paper first compares the flow fields in the wake behind the above mentioned model obtained using conventional and high-speed planar PIV, with sampling frequencies of 8 Hz and 1 kHz, respectively. Large asymmetrically coherent flow structures, which fluctuate at frequencies below 2 Hz, are observed in the results of highspeed PIV measurements, whereas conventional PIV is unable to capture these features of the flow owing to aliasing. This flow pattern with a laterally swaying motion is represented by opposite signs of cross-correlation coefficients of streamwise velocity fluctuations for the two sides of the car model. Effects of two aerodynamic devices that are known to reduce the
fluctuation levels of the aerodynamic loads are then extensively investigated. The correlation analyses reveal that these devices indeed reduce the fluctuation levels of the flow and the correlation values around the rear combination-lamp, but it is found that the effects of these devices are different around the c-pillar.
This paper compares several blade element theory (BET) method-based propeller simulation tools, including an evaluation against static propeller ground tests and high-fidelity Reynolds-Average Navier Stokes (RANS) simulations. Two proprietary propeller geometries for paraglider applications are analysed in static and flight conditions. The RANS simulations are validated with the static test data and used as a reference for comparing the BET in flight conditions. The comparison includes the analysis of varying 2D aerodynamic airfoil parameters and different induced velocity calculation methods. The evaluation of the BET propeller simulation tools shows the strength of the BET tools compared to RANS simulations. The RANS simulations underpredict static experimental data within 10% relative error, while appropriate BET tools overpredict the RANS results by 15–20% relative error. A variation in 2D aerodynamic data depicts the need for highly accurate 2D data for accurate BET results. The nonlinear BET coupled with XFOIL for the 2D aerodynamic data matches best with RANS in static operation and flight conditions. The novel BET tool PropCODE combines both approaches and offers further correction models for highly accurate static and flight condition results.
The aerodynamic performance of propellers strongly depends on their geometry and, consequently, on aeroelastic deformations. Knowledge of the extent of the impact is crucial for overall aircraft performance. An integrated simulation environment for steady aeroelastic propeller simulations is presented. The simulation environment is applied to determine the impact of elastic deformations on the aerodynamic propeller performance. The aerodynamic module includes a blade element momentum approach to calculate aerodynamic loads. The structural module is based on finite beam elements, according to Timoshenko theory, including moderate deflections. Several fixed-pitch propellers with thin-walled cross sections made of both isotropic and non-isotropic materials are investigated. The essential parameters are varied: diameter, disc loading, sweep, material, rotational, and flight velocity. The relative change of thrust between rigid and elastic blades quantifies the impact of propeller elasticity. Swept propellers of large diameters or low disc loadings can decrease the thrust significantly. High flight velocities and low material stiffness amplify this tendency. Performance calculations without consideration of propeller elasticity can lead to decreased efficiency. To avoid cost- and time-intense redesigns, propeller elasticity should be considered for swept planforms and low disc loadings.
Lifting propellers are of increasing interest for Advanced Air Mobility. All propellers and rotors are initially twisted beams, showing significant extension–twist coupling and centrifugal twisting. Torsional deformations severely impact aerodynamic performance. This paper presents a novel approach to assess different reasons for torsional deformations. A reduced-order model runs large parameter sweeps with algebraic formulations and numerical solution procedures. Generic beams represent three different propeller types for General Aviation, Commercial Aviation, and Advanced Air Mobility. Simulations include solid and hollow cross-sections made of aluminum, steel, and carbon fiber-reinforced polymer. The investigation shows that centrifugal twisting moments depend on both the elastic and initial twist. The determination of the centrifugal twisting moment solely based on the initial twist suffers from errors exceeding 5% in some cases. The nonlinear parts of the torsional rigidity do not significantly impact the overall torsional rigidity for the investigated propeller types. The extension–twist coupling related to the initial and elastic twist in combination with tension forces significantly impacts the net cross-sectional torsional loads. While the increase in torsional stiffness due to initial twist contributes to the overall stiffness for General and Commercial Aviation propellers, its contribution to the lift propeller’s stiffness is limited. The paper closes with the presentation of approximations for each effect identified as significant. Numerical evaluations are necessary to determine each effect for inhomogeneous cross-sections made of anisotropic material.