Mithilfe neuartiger Flügel könnte das Fliegen bald umweltfreundlicher und günstiger werden. Auf dem Flugplatz Oberpfaffenhofen wurden soeben so genannte aeroelastischen Flügel erfolgreiche getestet.
Neuartige Flügel des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Technischen Universität München (TUM) können Flugzeuge leichter machen.
DLR (CC-BY 3.0)
Flügel mit größerer Spannweite und geringerem Gewicht erzeugen weniger Widerstand - und sind daher energieeffizienter. Durch den effizienteren Auftrieb könnte zukünftig Kerosin eingespart und so die Emissionen und Kosten verringert werden. Der limitierende Faktor für den Bau solcher Flügel ist das aerodynamische Phänomen des Flatterns. Durch den Luftwiderstand sowie Windböen schaukeln sich die Schwingungen der Tragflächen immer weiter auf – wie bei einer Fahne im Wind. Forschenden unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, neue Technologien für leichtere, aber trotzdem äußerst stabile Tragflächen zu entwickeln.
„Das Flattern führt zur Materialermüdung. Das kann sogar so weit gehen, dass der Flügel abreißt“, erklärt Sebastian Köberle, wissenschaftlicher Mitarbeiter am TUM-Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme. Zwar beginnt jeder Flügel bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu flattern – aber kürzere und dickere Flügel besitzen strukturell eine höhere Steifigkeit und damit Stabilität. Flügel mit mehr Spannweite genauso stabil und steif zu bauen, würde viel mehr Gewicht bedeuten. Im europäischen Projekt FLEXOP (Flutter Free FLight Envelope eXpansion for ecOnomical Performance improvement) arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus sechs Ländern daher an neuen Technologien, die das Flattern unter Kontrolle bringen und es gleichzeitig erlauben, die Flügel leichter zu bauen.
Flügel weicht Wind aus
Die Forscher der TUM sind für die Konzeption und Durchführung der Flugversuche verantwortlich, die das tatsächliche Verhalten der zwei neuartigen Tragflächen zeigen, die im Projekt entwickelt wurden: Der aeroelastische Flügel und der Flatterflügel. Dazu bauten die Wissenschaftler der TUM zunächst den dreieinhalb Meter langen und sieben Meter breiten Flugdemonstrator und integrierten die Systeme der europäischen Partner. Bei der besonders leichten Tragfläche, die nun zum ersten Mal gestartet ist, handelt es sich um den sogenannten aeroelastisch optimierten Flügel, der vom DLR in Göttingen in Zusammenarbeit mit der Universität Delft entwickelt wurde. Er besteht aus Kohlefasern. Durch eine spezielle Ausrichtung der Fasern beim Aufbau des Flügels konnten die Forschenden sein Biege- und Torsionsverhalten beeinflussen. „Wird der Flügel durch die Luftkräfte gebogen, dreht er sich gleichzeitig und weicht den Lasten der Anströmung sozusagen aus“, sagt Prof. Dr. Wolf-Reiner Krüger vom Göttinger DLR-Institut für Aeroelastik.
Mithilfe der Referenzflügel arbeiteten die Forscher der TUM im Vorfeld daran, den Flugdemonstrator automatisiert vorgegebene Flugversuchsmuster fliegen zu lassen. Sie erarbeiteten die optimalen Einstellungen und entwickelten Handbücher und Checklisten für die Flugversuche. „Der Flugdemonstrator soll mit den neuartigen Flügeln so schnell fliegen, dass diese theoretisch flattern müssten“, erklärt Köberle. „Bei solch hohen Geschwindigkeiten müssen wir sicher sein, dass nichts schiefgeht.“
Aktive Klappenregelung im „Flatterflügel“
Das Fluggerät muss vom Boden aus zu jedem Zeitpunkt zu sehen sein, sodass die Forscher jederzeit eingreifen können. Das bedeutet, dass die Flugmanöver in einem engen Radius von einem Kilometer geflogen werden. Nachdem die komplexen Vorarbeiten abgeschlossen waren, folgte der umfängliche Versuchsflug. „Es hat alles so geklappt, wie wir es uns vorgestellt haben“, sagt Köberle. „Jetzt beginnt die Datenauswertung.“
Ein weiterer im Projekt entwickelter supereffizienter Flügel ist der sogenannte „Flatterflügel“. Dabei handelt es sich um einen Entwurf der TUM. Er besteht aus Glasfasern. Kommt es zum Flattern, werden die äußeren Klappen ausgeschlagen. Sie wirken dabei wie Dämpfer. "Die eingebaute am DLR entwickelte aktive Regelung der Klappen vergrößert die Möglichkeiten für eine wesentlich leichtere Bauweise maßgeblich", sagt Dr. Gertjan Looye vom Oberpfaffenhofener DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, der den DLR-Anteil am Projekt leitet. Ein zweites Flugregelungssystem wird vom Computer and Automation Research Institute der ungarischen Akademie der Wissenschaften (MTA SZTAKI) entwickelt. Der Projektleiter Bálint Vanek von MTA SZTAKI ergänzt: "Mit einem solchen Flügel könnten künftig 20 Prozent mehr Fracht transportiert werden oder sieben Prozent Treibstoff eingespart werden." Diese Technologie ist besonders komplex. Daher werden die Tests an diesem Flügel erst zu einem späteren Zeitpunkt stattfinden.
Zuvor waren beide Varianten des supereffizienten Flügels bereits bei Standschwingungsversuchen am DLR-Standort Göttingen getestet worden. Die Flügel sollen aber nicht nur am Flugdemonstrator abheben. In einem weiteren Schritt sollen die Ergebnisse des Projekts auf die Konfiguration von Transport- und Passagierflugzeuge übertragen werden.
Die Partner des Projekts FLEXOP
Die Partner im EU-Projekt FLEXOP sind die Ungarische Akademie der Wissenschaften, Airbus Group Innovation, Airbus Group Limited, FACC Operations GmbH, INASCO (Integrated Aerospace Sciences Corporation), Technische Universität Delft, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Technische Universität München, Universität Bristol und die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen.