Neue Flügelkonzepte für Verkehrsflugzeuge - weniger CO2 durch mehr Streckung

Ein Weg zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs eines Flugzeugs ist die Erhöhung der Flügelstreckung, also dem Verhältnis von Flügelspannweite zu Flügeltiefe. Schlankere Flügel haben einen geringeren Widerstand als solche mit einer gedrungenen Flügelform. In der Natur kann man dieses z. B. an den schlanken Flügeln eines Albatros erkennen, der nahezu pausenlos mit hoher Geschwindigkeit in der Luft ist. Bei technischen Anwendungen findet man schlanke Flügel an Windkraftanlagen und an Segelflugzeugen, in beiden Fällen ist eine gute aerodynamische Effizienz essentiell für den Betrieb.

Entwurfsstudien und Optimierung des Entwurfs

Obwohl Flügel hoher Streckung einen geringen induzierten Widerstand haben, treten, wie gesagt, eine Reihe von aeroelastischen Fragestellungen auf. Flügel hoher Streckung sind verhältnismäßig weich in Biegung und Torsion, sodass die Gefahr einer geringen Ruderwirksamkeit bei hohen Fluggeschwindigkeiten besteht und ein großer Einfluss der Flügelbiegung auf die Flugmechanik zu beobachten ist. Darüber hinaus können diese strukturdynamischen Eigenschaften des Flügels auch zu einer Reduktion der Flattergeschwindigkeit führen und somit den nutzbaren Fluggeschwindigkeitsbereich einschränken.

• In einem frühen Vorentwurfsstadium werden für das gleiche Basisflugzeug Flügel mit verschiedenen Streckungen ausgelegt, d. h. es erfolgt ein jeweils kombinierter Entwurf von Aerodynamik und Flügelstruktur. Die Entwürfe werden hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie z. B. Flügelmasse und aerodynamischen Widerstand, verglichen. Der Einsatz schneller Entwurfsverfahren erlaubt es, Flügel in einem großen Bereich möglicher Streckungen zu analysieren. Das Institut für Aeroelastik führt hier die aeroelastischen Bewertungen der Konfigurationen durch.
• Anschließend werden für eine ausgewählte Konfiguration umfassende numerische Untersuchungen der Aerodynamik und der Aeroelastik durchgeführt. Mithilfe detaillierter, gekoppelter Simulationen von Aerodynamik (CFD), Strukturdynamik, Flugmechanik und Flugregelung wird diese Flugzeugkonfiguration weiter optimiert. Diese aufwändigen Simulationen werden zusammen vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik sowie dem Institut für Aeroelastik auf dem Hochleistungsrechencluster CARO des DLR in Göttingen durchgeführt.

Aktive und passive Lastreduktion

Je höher die Streckung, und damit die Spannweite, desto schwerer wird üblicherweise ein Flügel. Die auftretenden Kräfte, z. B. der Auftrieb, sind für die Dimensionierung der Flügelstruktur relevant. Um eine höhere Streckung realisieren zu können, müssen diese Kräfte, die so genannten Lasten, reduziert werden. Dieses kann mit passiven Maßnahmen geschehen, wie der Nutzung von Verbundwerkstoffen mit einem speziell optimierten, unkonventionellen Lagenaufbau in der Auslegung der Flügel, oder mit aktiven Maßnahmen, z. B. der Nutzung der Steuerflächen zur Reduktion von Böen- oder Manöverlasten.

Das Institut für Aeroelastik arbeitet im Projekt UP Wing mit den Projektpartnern an der Entwicklung solcher Verfahren und ihrer Validierung in einem Windkanalversuch. Im Versuch wird ein auf der DLR-F25-Konfiguration basierender, elastischer Flügel etwa im Maßstab 1:30 im transsonischen Windkanal der DNW in Amsterdam getestet. Das Institut für Aeroelastik beteiligt sich an der Auslegung des Flügelmodells, entwirft die Struktur des Flügels, und führt CFD-Analysen der Aerodynamik am elastischen Flügel durch. Diese werden dann den Teams zur Verfügung gestellt, die die Lastregler auslegen. Weiterhin wird das Institut für Aeroelastik die strukturdynamischen Tests vor dem Versuch sowie die umfangreiche Messdatenerfassung während der Windkanalversuche durchführen. Das DLR Institut für Systemdynamik und Regelung (Oberpfaffenhofen) legt Lastregler für den Windkanalversuch aus.

Projektpartner

Partner bei den genannten Arbeiten (Windkanalversuche sowie numerischen Analysen) sind das DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik (Oberpfaffenhofen) und das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik (Braunschweig), das Virtual Product House des DLR (Bremen), die europäischen Luftfahrt-Forschungseinrichtungen NLR (NL) und ONERA (F), die Universitäten TU Berlin (D) und TU Delft (NL), sowie die Industriepartner Airbus (D, F) und Dassault Aviation (F).

In anderen Arbeitspaketen des Projekts UP Wing werden von den Instituten des DLR mit zahlreichen europäischen Partnern aus Forschung und Industrie weitere spezifische Aspekte des hochgestreckten Flügels untersucht, so z. B. die Integration von Hochauftriebshilfen in die Flügel oder die Entwicklung spezieller Strukturkomponenten für den Einsatz an sehr schlanken Flügeln.

Förderhinweis