Flugzeugmodell im Transschall-Windkanal. Bild: EWT & IAG / Universität Stuttgart

Windtunnel

Strömungsphänomenen auf der Spur

In einem gemeinsamen Projekt wollen Forscherinnen und Forscher mehrerer Hochschulen und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Flugzeuge an ihre aerodynamischen Grenzen bringen. Das soll das Fliegen zukünftig nachhaltiger machen.

Fliegen ist ein Balanceakt der Kräfte. Der Schub der Turbinen stemmt sich dem Luftwiderstand entgegen. Der Auftrieb hebt die Schwerkraft auf. Er entsteht, wenn Luft um die speziell geformten Tragflächen strömt. Bei sehr hohen Fluggeschwindigkeiten kann die Luft an manchen Stellen derart schnell vorbeiströmen, dass sich lokale Überschallgebiete bilden. Dann treten Verdichtungsstöße auf. Der Druck ändert sich abrupt. Die Strömung um die Tragfläche kann sich teilweise ablösen. Flugbereichsgrenze nennen die Forscher den Bereich, in dem solche Phänomene das Fliegen immer weniger kontrollierbar machen. Denn dort ändern sich die auf das Flugzeug wirkenden Kräfte schnell. Vibrationen sind die Folge. Darunter leidet nicht nur die Flugstabilität, sondern auch die Struktur der Maschine.

Versuche für sparsameres, leiseres und emissionsärmeres Fliegen

Wer ein Flugzeug besteigt, bekommt davon freilich nichts mit. Denn geflogen wird grundsätzlich mit gebührendem Sicherheitsabstand zur Flugbereichsgrenze. Trotzdem wollen die Wissenschaftler diesen Grenzbereich verstehen. „Wenn wir besser vorhersagen können, was an der Flugbereichsgrenze geschieht, dann können wir in Zukunft leichtere und damit ökoeffizientere Flugzeuge bauen“, erklärt Thorsten Lutz. Er leitet die Abteilung Luftfahrzeugaerodynamik am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart und koordiniert die Projektgruppe. „Außerdem wollen wir in unserem Projekt auch die neuen UHBR-Triebwerke betrachten.“ Diese speziellen Turbinen mit besonders großem Durchmesser sind aktuell noch in der Entwicklung. In Zukunft sollen sie Flugzeuge sparsamer, leiser und emissionsärmer machen. „Wie jedes Bauteil am Flugzeug werden sie aber auch die Aerodynamik beeinflussen“, ergänzt der Luftfahrtingenieur. „Und das wollen wir genauer untersuchen.“

Natürlich wurden die Phänomene der Aerodynamik in Modellen und Windkanälen bereits wissenschaftlich erforscht. „Es gibt aber noch keine Untersuchungen, die ein ganzes Flugzeug bei flugrelevanten Bedingungen betrachten und dabei sowohl numerisch als auch experimentell so detailliert sind, wie in unserem Projekt“, sagt Lutz stolz. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, steht er natürlich nicht allein auf weiter Flur. Denn zur Forschungsgruppe gehören erfahrene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Stuttgart, der RTWH Aachen, der TU Braunschweig und der TU München ebenso wie Experten des DLR. „Die Zusammenarbeit so vieler verschiedener Projektpartner ist schon etwas ganz Besonderes“, gesteht Lutz.

Reiseflughöhe im Windkanal simuliert

Ein Highlight werden die Versuche im European Transonic Windtunnel sein. Diese Versuchsanlage in Köln, gleich neben dem DLR, ist in der Branche wohlbekannt. Dort lassen sich Flugzeugmodelle unter realen Bedingungen testen. Befüllt ist der Windkanal nicht mit Luft, sondern mit Stickstoff. Das Gas lässt sich sehr stark abkühlen – bei Bedarf bis auf 110 Kelvin, also minus 163 Grad Celsius. Zusammen mit Drücken bis zu viereinhalb bar und Windgeschwindigkeiten bis in den schallnahen Bereich lassen sich so die Verhältnisse schaffen, die für die Aerodynamik eines echten Flugzeuges in großer Höhe relevant sind. Nur die NASA in den USA hat noch eine vergleichbare Anlage. „Der Betrieb eines solchen Windkanals ist sehr kostenintensiv“, erzählt Lutz. „Das macht die Messungen extrem teuer. Ein Messtag kann 100.000 Euro oder mehr kosten. Deshalb war es für uns auch so wichtig, verschiedene Fördergeber wie die Helmholtz-Gemeinschaft und die DFG ins Boot zu holen.“

Mit der Förderzusage der DFG kurz vor Jahresende 2019 waren diese Hürden endgültig gemeistert. Mittlerweile laufen die Vorbereitungen für die Windkanalversuche auf Hochtouren. Am DLR wird dazu das Flugzeugmodell vorbereitet. Das wird von der Firma Airbus zur Verfügung gestellt. Für die Messungen in Köln wird es um ein Höhenleitwerk ergänzt und es werden spezielle optische Messtechniken eingesetzt. Außerdem entwirft das DLR gerade das Modell des UHBR-Triebwerks. Parallel dazu beginnen die Projektpartner an den Universitäten im April mit den numerischen Simulationen. Die erste von drei Messkampagnen ist für den Frühherbst geplant.

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