Es ist schon erstaunlich: Ein Flugzeug wie der Airbus A380 wiegt rund 560 Tonnen und kann trotzdem abheben und fliegen. Wie geht das? Warum können Flugzeuge überhaupt fliegen? Die Antwort auf diese Frage liegt – beim A380 wie bei allen anderen Flugzeugen – im gekrümmten Profil der Tragflächen: Denn der Flügel eines Flugzeugs ist so geformt, dass die Luft auf der gewölbten Oberseite viel schneller strömt als auf der Unterseite. Dadurch entsteht über dem Flügel ein starker Sog nach oben. Man könnte also sagen: Flugzeuge „liegen“ nicht etwa auf der Luft unter ihnen, sondern sie „kleben“ an der Luft über ihnen – vorausgesetzt, dass sie mit der erforderlichen Geschwindigkeit unterwegs sind, damit dieser sogenannte Auftrieb stark genug ist.
Auf ein Flugzeug wirken im Prinzip vier physikalische Kräfte ein: Die Schwerkraft zieht es nach unten, der Auftrieb wirkt nach oben und hält das Flugzeug in der Luft. Der Vortrieb bewegt das Flugzeug vorwärts, der Widerstand bremst es. Erst wenn der Auftrieb größer als die Schwerkraft ist, hebt das Flugzeug ab. Im Gegensatz zu Luftschiffen oder Ballonen, die einfach schweben, weil sie leichter als Luft sind, entsteht der Auftrieb bei Flugzeugen also erst, wenn die Luft die Tragflächen schnell genug umströmt und so immer mehr Auftrieb erzeugt wird. Dazu wird der sogenannte Vortrieb benötigt, den Propeller oder Düsentriebwerke liefern. Auftrieb, Vortrieb, Schwerkraft, Widerstand – zu all dem gibt es auf dieser Seite unten eine Grafik, die das ganz einfach darstellt. Außerdem findest du hier per Klick unsere DLR_School_Info Luftfahrt, wo alles noch genauer erklärt wird. Denn die Sache mit dem Auftrieb ist noch etwas komplizierter als oben in der Einleitung beschrieben. Denn es gibt nicht nur den Sog über den Tragflächen, der das Flugzeug nach oben zieht. Gleichzeitig kommt noch ein zweiter Effekt hinzu: Die Tragflächen treffen im Flug auf die Luft- und die Luftteilchen, die dabei auf die Unterseite der Flügel „prasseln", schieben gewissermaßen die Tragflächen und damit das Flugzeug nach oben.
In der Vergangenheit haben Ingenieurinnen und Ingenieure mit all diesem Wissen den Flugzeugbau immer weiter verbessert. Doch es gibt noch immer zu tun: Künftige Flugzeuge sollten noch weniger Kraftstoff verbrauchen und weniger Abgase produzieren. Außerdem müssen sie noch leiser werden, damit die Lärmbelästigung für die Menschen am Boden verringert wird. Beim DLR forschen deshalb viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Flugzeug von morgen.
Dynamisch und elastisch
Ein besonders wichtiger Bereich bei der Entwicklung neuer Flugzeuge ist die Aerodynamik. Sie beschreibt das Verhalten von Körpern wie eben Flugzeugen in der Luft. Vor allem geht es dabei um die Luftströmung. Am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig und Göttingen befassen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit verschiedensten Untersuchungen. Künftige Flugzeuge werden dabei zunächst per Computer entwickelt und danach sowohl in Windkanälen wie auch in Flugversuchen getestet.
Auch die Stabilität hat im Flugzeug-Bau eine ganz besondere Bedeutung. Flugzeuge sollten einerseits so leicht wie möglich sein – denn weniger Gewicht bedeutet ja auch weniger Spritverbrauch. Andererseits müssen sie aber höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen und eben auch stabil sein. „Stabil“ heißt aber nicht „starr“: Denn Flugzeug-Strukturen müssen sich in gewissen Grenzen elastisch verformen. Sonst würden die Flügel zum Beispiel beim Aufsetzen auf der Landebahn einfach abbrechen statt ein wenig auf und ab zu schwingen. All diese Fragen behandelt das DLR-Institut für Aeroelastik in Göttingen.
Erst rechnen, dann testen
Wie kann man ein neues Flugzeug konstruieren, wenn man all diese Dinge beachten muss? Die Konstruktion von Flugzeugen findet zunächst einmal am Computer statt. In der sogenannten „numerischen Simulation” werden die künftigen Flugeigenschaften durch computergestützte Verfahren berechnet. Um die am Rechner entworfene Konstruktion zu überprüfen, werden dann Modelle der Flugzeuge angefertigt und in Windkanälen getestet. Einen ganz besonderen Windkanal gibt es in Köln: den European Transonic Windtunnel – kurz ETW. Das englische Wort „transonic” bedeutet Überschall – und so können hier Geschwindigkeiten von bis zu 1,3 Mach erreicht werden. Dabei fliegt natürlich nicht das Flugzeug-Modell so schnell, sondern die Sache läuft genau umgekehrt ab: Die Luftströmung wird auf dieses hohe Tempo beschleunigt.
„Flüsternde” Flugzeuge
Um abzuheben und in der Luft zu bleiben, benötigt ein Flugzeug eine bestimmte Geschwindigkeit, damit der Auftrieb die Schwerkraft überwindet. Die für den Schub eingesetzten Triebwerke müssen aber in Zukunft noch leiser und sparsamer im Umgang mit dem Treibstoff sein. Außerdem sollten sie deutlich weniger Abgase ausstoßen, damit die Umwelt nicht weiter belastet wird – wobei Flugzeuge beim elektrischen Fliegen sogar ganz ohne fossile Brennstoffe auskommen können. Und sie sollen leiser werden – die Expertinnen und Experten sprechen vom „flüsternden Flugzeug“. Am DLR-Institut für Antriebstechnik arbeiten Spezialistinnen und Spezialisten an der Entwicklung solcher „flüsternder“ und umweltfreundlicher Flugzeuge. Die Forschungsarbeiten stützen sich auf Tests, die in großen Versuchsanlagen und Prüfständen zum Beispiel mit modernster Laser-Messtechnik durchgeführt werden.
Bei all dem hat man sich ganz konkrete Ziele gesetzt, die bis zum Jahr 2050 erreicht werden sollen: So will man den Ausstoß von Kohlendioxid – einem Treibhausgas, das zur Klimaerwärmung beiträgt – um 75 Prozent senken (immer im Vergleich zu den Werten aus dem Jahr 2000), Stickoxid – ein anderes Abgas – soll sogar um 90 Prozent gesenkt werden. Den Lärm, den man am Boden wahrnimmt, will man um 65 Prozent senken. Und obwohl es in er Luftfahrt vergleichsweise wenige Unfälle gibt, soll die Unfallrate nochmals um 80 Prozent gesenkt werden.