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Flugzeugflügel im eisigen Windkanal

Flugverkehr Flugzeugflügel im eisigen Windkanal

Bei Minustemperaturen von 173 Grad Celsius im kryogenen Windkanal haben Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Göttingen den Einsatz laminarer Flugzeugflügel untersucht. Diese Flügelmodelle können den Treibstoffverbrauch im Flugverkehr deutlich senken.

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Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) erforschen erstmals, wie sich laminare Strömung auf die aeroelastische Stabilität eines beweglichen Flügelprofils auswirkt. Im Vordergrund sieht man das zwei-dimensionalen laminare Flügelprofil im kryogenen Windkanal in Köln, versehen mit Mess-Sensoren und Positionsmarkern- und Druckplatten.

Quelle: DLR

Göttingen. Bis 2050 sollen die von Flugzeugen verursachten Kohlendioxid-Emissionen im Vergleich zum Jahr 2000 um 75 Prozent und die Stickoxid-Emissionen um 90 Prozent gesenkt werden. So sieht es nach DLR-Angaben das europäische Strategiepapier "Flightpath 2050" vor. Konventionelle Optimierungen drücken den Treibstoffverbrauch oft nur um Tausendstel Prozent. Experten sind der Ansicht, dass dagegen laminare Flügelstrukturen das  zu erreichende Potential auf etwa 20 Prozent senken können.

 

Segelflugzeuge nutzen laminare Flügel. Die Technik auf Strukturen von Passagierflugzeugen zu übertragen ist technologisch deutlich anspruchsvoller. Grund sind die hohen Anforderungen an Fluggeschwindigkeiten und Systemzuverlässigkeit. Und die neuen Flügelstrukturen können anders als herkömmliche Flugzeugflügel schwingen. Um einen sicheren Betrieb dieser Technologie zu ermöglichen, erforschen die Wissenschaftler des DLR-Instituts für Aeroelastik aus Göttingen deshalb in verschiedenen Windkanal-Versuchen mit einem zwei-dimensionalen laminaren Flügelprofil, wie sich die beobachteten Effekte einer typischen laminaren Umströmung sicher auf einen Flugzeugflügel übertragen lassen.

 

Flügelprofil im kryogenen Windkanal: Sensoren messen wie sich der Druck verteilt und welche Schwingungen auftreten.

Flügelprofil im kryogenen Windkanal: Sensoren messen wie sich der Druck verteilt und welche Schwingungen auftreten.

Quelle: DLR

In einem ersten Schritt wurde das Modell dafür im Transsonischen Windkanal Göttingen unter Flugbedingungen simuliert, die in der Nähe der Schallgeschwindigkeit liegen. Mit diesen Messungen konnten numerische Werkzeuge für die Vorhersage des laminaren Strömungsverhaltens entwickelt und geprüft werden. Im nächsten Schritt wurde das Flügelprofil im kryogenen Windkanal in Köln untersucht. Dafür wurde der Windkanal mit Stickstoff geflutet und heruntergekühlt. Die kalte, zäh gemachte Luft umströmt den Flügelquerschnitt; Sensoren messen wie sich der Druck verteilt und welche Schwingungen auftreten. "Durch die verschiedenen Windkanal-Versuche können wir die Effekte der laminaren Strömung sehr sauber beobachten und von anderen störenden Effekten trennen", erklärt Dr. Holger Mai vom DLR-Institut für Aeroelastik.

Im "European Transonic Windtunnel" (ETW) kommen beide Vorteile der bisherigen Windkanäle zusammen, um dort die Flugtauglichkeit des Flügelmodells zu testen. Echte Flugzeugkonfigurationen und die Auswertung der erstellten numerischen Modelle bilden den Abschluss. "Dann können wir eine Aussage treffen, ob laminare Flügelstrukturen tatsächlich anders schwingen als herkömmliche", erklärt Strömungsforscher Mai.  jes

 

Projekt ALLEGRA

Das DLR-Projekt namens ALLEGRA verfolgt die Weiterentwicklung von numerischen Verfahren zu einem robusten Werkzeug zur Überwachung der aeroelastischen Stabilität in Windkanalversuchen. Die Projektleitung liegt beim DLR-Institut für Aeroelastik in Göttingen. Wichtige Beiträge zur Aerodynamik und Messtechnik liefert das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in ihren Standorten in Braunschweig und Göttingen. Die Stiftung Deutsch-Niederländische Windkanäle unterstützt das Projekt mit der Bereitstellung der Windkanäle für die Versuchsreihe. r

 

Laminare Strömung

Um abzuheben braucht ein Flugzeug Auftrieb. Diesen erhält es durch die umströmende Luft am Flügel. Je gleichmäßiger diese Strömung verläuft, desto geringer ist der Widerstand gegen den das Flugzeug anfliegen muss. Diese gleichmäßige Strömung wird als "laminar" bezeichnet. Die ungeordnete Luftbewegung mit einem großen Widerstand dagegen nennt man "turbulent". Oberfläche und Form der Flügel beeinflussen dabei das Umströmungsverhalten: Die Luft fließt mit geringstem Widerstand eng anliegend und gleichmäßig, also laminar, über den Flügel. Bei normalen Flügeln kommt es bereits an der Vorderkante zu Verwirbelungen, die den Auftrieb beeinträchtigen. Ein geringerer Luftwiderstand reduziert also den Treibstoffverbrauch, die Emission von Schadstoffen und spart Energiekosten. r

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