Supereffiziente Flügel heben ab

Flügel mit größerer Spannweite und geringerem Gewicht erzeugen weniger Widerstand – und sind daher energieeffizienter. Durch den effizienteren Auftrieb könnte 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.

„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 also gleichzeitig 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.

Flugversuche zeigen Verhalten der neuartigen Tragflächen

Die Forscher der TUM sind für die Konzeption und Durchführung der Flugversuche verantwortlich. Diese sollen das tatsächliche Verhalten der zwei neuartigen Tragflächen zeigen, die im Projekt entwickelt wurden: Die aeroelatischen Flügel und die Flatterflügel.

Dazu bauten die Wissenschaftler der TUM zunächst den dreieinhalb Meter langen und sieben Meter breiten Flugdemonstrator und integrierten die Systeme der europäischen Partner. Mithilfe der extra gefertigten Referenzflügel arbeiteten die Forscher dann daran, den Flugdemonstrator automatisiert vorgegebene Flugversuchsmuster fliegen zu lassen. Sie erarbeiteten die optimalen Einstellungen und entwickelten Handbücher sowie 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.“

Das Flugzeug muss von Boden aus zu jedem Zeitpunkt zu sehen sein, sodass die Forscher im Notfall eingreifen können. Das bedeutet, dass die Flugmanöver in einem engen Radius von einem Kilometer geflogen werden.

Erfolgreicher Erstflug des aeroelastischen Flügels

Nachdem die komplexen Vorarbeiten abgeschlossen sind, konnte am heutigen Dienstag zum ersten Mal ein Versuchsflug mit den neuartigen Flügeln durchgeführt werden. „Bisher hat alles so geklappt, wie wir es uns vorgestellt haben“, sagt Köberle. „Jetzt beginnt die Datenauswertung.“

Bei den Flügeln, die auf dem Flugplatz Oberpfaffenhofen zum ersten Mal gestartet sind, handelt es sich um die sogenannten aeroelastisch optimierten Flügel, die vom DLR in Zusammenarbeit mit der Universität Delft entwickelt wurden. Sie bestehen aus Kohlefasern. Durch eine spezielle Ausrichtung der Fasern beim Aufbau des Flügels konnten die Forscher und Forscherinnen sein Biege- und Torsionsverhalten beeinflussen. „Wird der Flügel durch die Luftkräfte gebogen, dreht er sich gleichzeitig und weicht den Windlasten sozusagen aus“, sagt Wolf-Reiner Krüger vom Göttinger DLR-Institut für Aeroelastik.

Aktive Klappenregelung im „Flatterflügel“

Der zweite im Projekt entwickelte supereffiziente 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 ausgefahren. Sie wirken dabei wie Dämpfer. „Die eingebaute am DLR entwickelte aktive Regelung der Klappen vergrößert die Möglichkeiten für eine wesentlich leichtere Bauweise maßgeblich“, sagt 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.“ Da die Technologie sehr komplex ist, werden die Tests an diesem Flügel erst zu einem späteren Zeitpunkt stattfinden.

Vom Demonstrator zum Passagierflugzeug

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.

Weitere Informationen:
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.

Technische Universität München
Dipl.-Ing. Sebastian Köberle
Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme
Tel.: +49.89.289.16748
Sebastian.Koeberle@tum.de