Gut für Airlines, Umwelt, Fluggäste
So sollen Flugzeuge sparsamer werden und weniger wackeln
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt will mit Lasersystemen die Windböen-Belastung auf Flugzeuge senken. Wie viel Treibstoff das einsparen kann, überraschte die Forschenden.
Modell im Windkanal: Das experimentell im Niedergeschwindigkeitswindkanals untersuchte Flügelmodell und der stromauf angeordnete Böengenerator ermöglichen eine Analyse der Strömungsverhältnisse.
Detailansicht der Flügelunterseite: Die aufgeprägte Punkteverteilung ermöglicht die optische Messung der Flügelverformung und Steuerflächenausschläge.
Modell im Windkanal: Das experimentell im Niedergeschwindigkeitswindkanals untersuchte Flügelmodell und der stromauf angeordnete Böengenerator ermöglichen eine Analyse der Strömungsverhältnisse.
Detailansicht der Flügelunterseite: Die aufgeprägte Punkteverteilung ermöglicht die optische Messung der Flügelverformung und Steuerflächenausschläge.
Wie lassen sich Treibstoffverbrauch und CO₂-Emissionen von Flugzeugen senken? Moderne Triebwerke stehen ganz oben auf der Liste. Aber auch Technologien wie die Haihaut-Folie von Lufthansa Technik sollen helfen. Und bessere Routenführung soll ihren Teil beitragen.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR präsentieren nun einen weiteren Ansatz – er heißt Olaf. Das ist die Abkürzung für Optimal Lastadaptives Flugzeug und ist der Projektname. Dabei geht es um sogenannte intelligente Lastkontrollsysteme, die vorausschauend auf Windböen und Manöver reagieren, indem sie Steuerflächen und Klappen blitzschnell anpassen.
Turbulenzen besser abfedern, Belastung minimieren
«Der Treibstoffverbrauch sinkt um bis zu 7,2 Prozent und die CO₂-Emissionen verringern sich deutlich», schreibt das DLR. Zum Vergleich: Die Haihaut-Folie soll in der aktuellen Version 1 Prozent einsparen, künftige Weiterentwicklungen streben 3 Prozent an.
Lars Reimer, Projektleiter des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik, erklärt über Olaf: «Durch das geschickte Zusammenspiel hochentwickelter Steuerflächen und moderner Sensoren, können wir Turbulenzen besser abfedern, die Belastung auf die Flugzeugstruktur minimieren und so effizientere Flugzeuge entwickeln.»
Entwurf eines neuen Langstreckenflugzeugs
Funktionieren soll das unter anderem durch Lasersysteme und sogenannten Lidar-Sensoren, die Windfelder per Laser vermessen und herannahende Böen frühzeitig erkennen können. Durch diese Sensoren kann das Flugzeug präziser und vorausschauender auf äußere Einflüsse reagieren und Steuerflächen wie Ruder oder Klappen automatisch anpassen. «Der Einsatz hochmoderner Lastkontrollsysteme reduziert nicht nur die Materialbelastung und die Lebensdauer, sondern verbessert gleichzeitig die Aerodynamik und den Wirkungsgrad moderner Verkehrsflugzeuge», sagt Projektleiter Reimer.
Im Projekt Olaf haben die Forscherinnen und -Forscher untersucht, wie sich der Einsatz von Lastkontrolltechnologien auf den Entwurf eines neuen Langstreckenflugzeugs auswirkt. Mittels Simulation haben sie zwei Flugzeugentwürfe mit identischen Anforderungen am Computer entwickelt und verglichen: eins mit herkömmlicher Technik und eines, das auf aggressive Lastreduzierung ausgelegt ist. «Die neue Technologie ermöglicht Tragflächen mit größerer Spannweite und höherer aerodynamischer Effizienz – ein Paradigmenwechsel, der Treibstoffverbrauch und Emissionen erheblich senkt», schreibt das DLR.
Verformungsverhalten der Flugzeugentwürfe mit konventioneller und aggressiver Lastabminderung im Reiseflug (1g) und bei einem Abfangmanöver (2.5g). Die Lasten beim Abfangmanöver sind fast auf das Niveau der Lasten im Reiseflug abgemindert, wie sich in der Verformung zeigt. Bild: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)
Versuche im Niedergeschwindigkeitswindkanal
Zusätzlich führten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR-Instituts für Aeroelastik Versuche im Niedergeschwindigkeitswindkanal durch. Dafür versahen sie das Windkanalmodell eines elastischen Flügels mit beweglichen Hinterkantenklappen und Spoilern und erzeugten mit einem eigens entwickelten mobilen Böengenerator künstliche Böen. Die Schwingungen am Flügel wurden mit und ohne eingeschaltete Lastregleung verglichen. «Mit aktivierter Lastregelung konnten die Schwingungen effektiv reduziert und die Belastung am Flügelansatz um bis zu 80 Prozent verringert werden», so das DLR.
«Wenn eine umfassende Lastkontrolle bereits im Flugzeugentwurf berücksichtig wird, ermöglicht sie leichtere, höher gestreckte Tragflächen, die aerodynamisch besser sind und Treibstoff sparen», schreibt Institut. «Das Flugzeug mit der neuen Technologie verbraucht den Abschätzungen zufolge bis zu 7,2 Prozent weniger Treibstoff und kann trotz möglicher zusätzlicher Wartungskosten die Wirtschaftlichkeit um bis zu 6,7 Prozent steigern.»
Prototypen in Forschungsflugzeugen geplant
Reimer gesteht ein: «Die Ergebnisse haben uns überrascht.» Anfangs habe man die Lastkontrolle vor allem als Methode zur Gewichtsreduktion gesehen. Jetzt sei man der Meinung, sie stelle sich «vielmehr als Schlüsselelement für den Entwurf der Tragflügel von Morgen dar – mit deutlich verbesserter Aerodynamik und höherer Effizienz».
Das DLR plant nun, die Technologie weiterzuentwickeln und ausgewählte erste Prototypen in Forschungsflugzeugen zu testen. Parallel dazu setzen die Forschenden die Arbeiten aus Olaf fort. Sie wollen den digitalen Entwurfsprozess, der alle relevanten Disziplinen – von der Aerodynamik über die Struktur bis hin zur Lastkontrolle – integriert weiterentwickeln. Das Ziel: Flugzeugherstellern eine Vorgehensweise aufzeigen und Werkzeuge liefern, um schon in frühen Entwurfsphasen Lastminderungstechnologien in Designs einzuplanen.
In der oben stehenden Bildergalerie sehen Sie weitere Bilder der Olaf-Forschung. Ein Klick aufs Bild öffnet die Galerie im Großformat.