FORSCHUNG FÜR FLATTERNDE FLÜGEL

Über ein Viertel der Kosten für einen Flug entfällt auf das Kerosin. Leichtere und schlankere Tragflächen können helfen, den Treibstoffverbrauch im Luftverkehr weiter zu senken.

Forschern der Technischen Universität München (TUM) und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist es jetzt gelungen, neue Technologien für leichtere, aber dennoch äußerst stabile Tragflächen zu entwickeln. Hintergrund: Je größer die Spannweite der Flügel und je geringer ihr Gewicht, desto weniger Widerstand erzeugen sie in der Luft – und sind entsprechend energieeffizienter als herkömmliche Konstruktionen. Dabei gibt es jedoch ein aerodynamisches Problem. Lange, schlanke und leichte Tragflächen schaukeln sich durch den Windwiderstand und durch Windböen im Flug immer weiter auf, bis sie wie eine Flagge im Wind flattern.

„Das Phänomen des Flatterns führt zur Materialermüdung“, weiß Sebastian Köberle, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme der TUM. „Das kann sogar so weit gehen, dass der Flügel abreißt.“ Zwar beginne jeder Flügel bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu flattern, aber kürzere und dicker dimensionierte Flächen besäßen strukturell eine höhere Steifigkeit und damit Stabilität. „Flügel mit mehr Spannweite genauso stabil zu bauen, würde also gleichzeitig mehr Gewicht bedeuten“, so Köberle. Und damit wären die Vorteile wieder verspielt.

Im Rahmen des europäischen Projekts Flexop arbeiten internationale Wissenschaftler daher an neuen Technologien, um das Flattern leichterer und längerer Tragflächen unter Kontrolle zu bringen. Trotz aller rechnergestützten Simulationsmöglichkeiten, über die die Forscher heute in ihren Instituten und Laboren verfügen, sind Praxistests dabei unverzichtbar. Im Projektteam sind die Münchner unter anderem für die Konzeption und Durchführung von Flugversuchen am Sonderflughafen Oberpfaffenhofen verantwortlich.

Sie bauten zunächst ein dreieinhalb Meter langes Flugmodell, einen so genannten Demonstrator, mit einer großen Spannweite von sieben Metern und integrierten darin die von ihren europäischen Partnern entwickelten Systeme, vor allem Sensoren. Für die ersten Flüge erhielt der Demonstrator konventionelle Referenztragflächen, mit denen er automatisiert vorgegebene Routen abfliegt. Die Experten der TUM erarbeiteten dazu Handbücher und umfangreiche Checklisten für die Flugversuche.

Für den Betrieb des autonomen Modells gibt es strenge Sicherheitsvorschriften: Das mit einer leistungsfähigen Mini-Turbine angetriebene Flugzeug muss vom Boden aus jederzeit zu sehen sein, damit die Forscher mit einer Fernsteuerung bei Notfällen eingreifen können. Alle Flugmanöver finden daher nur in einem engen Radius von rund einem Kilometer statt. „Der Flugdemonstrator fliegt schließlich so schnell, dass auch die neuen Flügel theoretisch flattern müssten“, erklärt Köberle. „Bei solch hohen Geschwindigkeiten müssen wir sicher sein, dass nichts schiefgeht.“

„WIRD DER FLÜGEL DURCH DIE LUFTKRÄFTE GEBOGEN, VERDREHT ER SICH GLEICHZEITIG UND WEICHT DEN WINDLASTEN SOZUSAGEN AUS.“

Mitte November 2019 war es schließlich soweit: Die Münchner Wissenschaftler montierten zum ersten Mal ein neuentwickeltes Tragflächenpaar statt der konventionellen Flügel an den Demonstrator. Dabei handelt es sich um aerolastisch optimierte Flügel aus Kohlefaser, die das DLR in Zusammenarbeit mit der TU Delft, einem weiteren Forschungspartner, entwickelt hat. Durch eine spezielle Ausrichtung der Fasern in der Konstruktion des Flügels konnten die Forscher das Biege- und Torsionsverhalten beeinflussen – daher die Bezeichnung „aerolastisch“. Sein Verhalten im Flug erklärt Wolf-Reiner Krüger vom Göttinger DLR-Institut für Aeroelastik so: „Wird der Flügel durch die Luftkräfte gebogen, verdreht er sich gleichzeitig und weicht den Windlasten sozusagen aus.“ Sein Forscherkollege Köberle zeigte sich nach dem Erstflug zufrieden: „Bisher hat alles so geklappt, wie wir es uns vorgestellt haben. Jetzt beginnt die Datenauswertung.“

Derweil steht der Demonstrator bereits in den Startlöchern für die nächsten Testflüge. Dafür werden wiederum neue Tragflächen angeschraubt. Die Entwickler der TUM sprechen dabei von „supereffizienten Flatterflügeln“ aus Glasfasern. Kommt es bei ihnen in hohen Geschwindigkeitsbereichen zum Flattern, werden Klappen am äußeren Tragflächenrand ausgefahren, die wie Dämpfer wirken. „Diese eingebaute aktive Regelung der Klappen vergrößert die Möglichkeit für eine wesentlich leichtere Bauweise maßgeblich“, berichtet Gertjan Looye. Er arbeitet im DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik in Oberpfaffenhofen.

Das Ziel des Projektes ist klar: Die beiden innovativen Tragflächentypen werden nicht nur mit dem Flugdemonstrator abheben. Schon in naher Zukunft sollen die erfolgversprechenden Ergebnisse auf die Konfiguration großer Fracht- und Passagierflugzeuge übertragen werden.

DAS IST DAS PROJEKT FLEXOP

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts FLEXOP (Flutter Free Flight Envelope Expansion for Economical Performance Improvement) werden neue Methoden zum Entwurf von aktiven und passiven Systemen zur Flatterdämpfung von sehr leichten und damit flexiblen Flügelstrukturen entwickelt und validiert. Unter dem Schirm des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizon 2020“ der Europäischen Union arbeiten Partner aus Industrie und Forschung aus sechs verschiedenen Ländern an Regelalgorithmen, Aktuatoren und der Entwurfsoptimierung. An einem unbemannten Flugdemonstrator mit sieben Metern Spannweite und Turbinenantrieb werden die gefundenen Ansätze erprobt.

Zu den FLEXOP-Partnern gehören die Ungarische Akademie der Wissenschaften, Airbus Group Innovation, Airbus Group Limited, der Flugzeugkomponentenhersteller FACC, Integrated Aerospace Sciences Corporation (INASCO), die Technische Universität Delft, das Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Technische Universität München, die Universität Bristol und die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen.

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Text von Behrend Oldenburg
Fotos: DLR, TU München (Fabian Vogel)
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