Dehnbare Hülle soll Lärm und Wirbel an Tragflächen senken
Mit noch glatteren Tragflächen wollen Flugzeugbauer ihre Flugzeuge leiser und sparsamer machen. Deutsche Ingenieure haben jetzt einen Flügel vorgestellt, der von einer glatten elastischen Haut überzogen ist, die alle Spalten abdeckt. Die Nasa arbeitet dagegen an neuartigen Hinterkanten, um den Verbrauch zu senken.
Flug der Gulfstream III der Nasa mit den flexiblen Hinterkanten des Entwicklers Flexsys.
Foto: Flexsys
„Clean Sky“ – die Projektbezeichnung des europäischen Forschungsprogramms ist Programm. Flugzeuge sollen leiser und sparsamer werden, indem die Luftverwirbelungen an ihren Tragflächen reduziert werden. Jüngster Erfolg ist ein drei Meter langes Flugzeugflügelstück, das am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt entwickelt wurde.
Die Forscher haben dem Tragflächensegment eine flexible Hülle übergestülpt. Sie verdeckt die zahlreichen Spalte und Kanten, die sich vor allem beim Start und beim Landeanflug öffnen, wenn die Flügelfläche vergrößert wird. Das soll den Treibstoffverbrauch und den Lärm verringern, weil die Luft den Flügel umströmt, ohne aufgrund von Widerständen lärmende Wirbel zu bilden.
Gedächtnismaterial verformt die Flugzeughaut
Die Haut wird von elektromechanischen Aktoren verformt, das sind bewegliche Elemente, die den Flügel vergrößern oder verkleinern. Unterstützt werden sie von Aktoren, die auf einem anderen Prinzip beruhen. Sie bestehen aus Gedächtnismaterial, das sich nach einer Verformung durch Wärme an seine ursprüngliche Gestalt erinnert und diese wieder einnimmt.
Mit einer flexiblen Haut ist die neue Tragfläche überzogen, die Ingenieure des Fraunhofer-Instituts in Darmstadt entwickelt haben. Die Haut ist so elastisch, dass die Vorderkante der Tragfläche bewegt werden kann, ohne dass Spalten entstehen, die für Lärm und Wirbel sorgen.
Quelle: Fraunhofer LBF
Das funktioniert in beide Richtungen. Die Atome des Materials wissen ganz genau, wo sie hingehören und wer ihre Nachbarn sind. Diese Ordnung wird gestört, wenn das Bauteil verformt wird. Zurück an ihren Stammplatz kommen sie erst, wenn es erwärmt wird und die Beweglichkeit der Atome zunimmt.
Um sicherzustellen, dass die Aktoren die flexible Haut reproduzierbar verformen, ist diese mit 50 faseroptischen Sensoren gespickt, die die Geometrie des Flügels exakt erfassen. Die Flügel sind außerdem mit Synthetic Jet Aktoren ausgestattet, die das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme in Chemnitz beisteuerte. Diese kleinen Bauteile beeinflussen aktiv die Luftströmung entlang des Flügels zur Vermeidung von Wirbeln.
Integrierte Enteisungsanlage
Die Darmstädter integrierten in die flexible Flügelvorderkante eine Enteisungsanlage, die auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen beruht. Sie erwärmen sich, wenn Strom hindurchfließt. Ebenfalls integrierte Thermoelemente sorgen für die richtige Temperatur. Das funktioniert, wie Versuche in einem tiefgekühlten Windkanal zeigten.
Eine Gulfstream III hat die Nasa mit flexiblen Hinterkanten an den Tragflächen ausgestattet. Deutlich zu sehen sind links und rechts die flexiblen Fächer, die es der dazwischen liegenden Kante ermöglichen, auf und ab zu schwenken, ohne das Kanten entstehen.
Quelle: Ken Ulbrich/Nasa
Nasa experimentiert mit flexiblen Hinterkanten
Auch US-Wissenschaftler haben sich den Flugzeugflügel vorgeknöpft. Sie haben es auf die Hinterkanten abgesehen. Ähnlich wie Fallschirmspringer mit mehr oder weniger ausgestreckten Armen Kurven fliegen, sollen auch die Flugzeuge der Zukunft manövrieren. Durch Verformung der flexiblen Hinterkanten soll sich ein Flugzeug in die Kurve legen, ein Seitenleitwerk erübrigt sich. Gesteuert werden die flexiblen Elemente durch Seilzüge. Ziel der Entwicklung ist ein geringeres Gewicht, weil die Elektromechanik fürs Leitwerk entfällt.
Die flexiblen Hinterkanten werden über Seilzüge gesteuert und können sich um bis zu 30 Prozent verformen. Sie sollen die traditionellen Landeklappen ersetzen.
Quelle: Nasa
Entwickelt wurden die elastischen Leitwerke vom Air Force Research Laboratory (AFRL) und dem in Ann Arbor im US-Bundesstaat Michigan ansässigen Unternehmen Flexsys. Die US-Raumfahrtagentur Nasa stellte das Versuchsflugzeug, eine Gulfstream III. Bisher fanden 22 Testflüge statt, die allesamt erfolgreich verliefen. Die Flügelhinterkanten verformten sich dabei um bis zu 30 Prozent. „Die Technik kann die Effizienz von Flugzeugen der Luftwaffe und der zivilen Luftfahrt erheblich verbessern“, so Pete Flick, Leiter des Programms beim AFRL.
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