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DLR-Forscher wollen Flugzeugtechnik verbessern

Leiser Anflug DLR-Forscher wollen Flugzeugtechnik verbessern

Langsamere Anflüge führen zu weniger Lärm. Wie langsam, steil und damit leiser ein heutiges Verkehrsflugzeug seinen Zielflughafen anfliegen kann, bestimmt das sogenannte Hochauftriebssystem mit seinen ausfahrbaren Landeklappen an den Tragflächen. Ebenso hilfreich: Langsamere Flugzeuge können auf kürzeren Landebahnen aufsetzen.

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Flügel des Forschungsairbus ATRA mit Messensorik: Die Daten sollen zur aerodynamischen Verbesserung der Flugzeugtechnik dienen.

Quelle: DLR

Köln/Göttingen. Um die Vorhersage der Hochauftriebsleistung in Computermodellen und im Windkanalversuch deutlich zu verbessern und zukünftig langsameren und leiseren Anflügen den Weg zu bereiten, forscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Airbus, der TU Berlin und dem Europäischen Transsonischen Windkanal ETW. 

Mit Lasermesstechnik und anderen fortschrittlichen Messverfahren detektierten die Forscher in bisher unerreichter Genauigkeit die Strömungszustände an einem Airbus A320 mit ausgefahrenen Landeklappen unter realen Flugbedingungen. Die Forscher haben eigens für die Versuche ein hochpräzises Windkanalmodell gebaut.

Grundlage waren vorangegangene Strömungsmessungen bei Flugversuchen mit dem DLR-Forschungsflugzeug A320 ATRA. An den Versuchen waren auch Forscher des DLR Göttingen mit ihrer Messtechnik beteiligt.

Das Projekt High Lift Inflight Validation (HINVA) „ist für die Weiterentwicklung heutiger Hochauftriebstechnologien ein weltweit einmaliges Forschungsprojekt“, erklärt Prof. Rolf Henke, DLR-Vorstand für den Bereich Luftfahrt. Erstmals führt das DLR in der Hochauftriebsforschung Computersimulationen mit Flug- und Windkanalversuchen an einer derart komplexen Konfiguration zusammen.

Exakt und optimal zueinander ausgerichtet

Für die Leistungsfähigkeit eines Hochauftriebssystems spielen neben den eigentlichen Landeklappen auch die Spalte, die sich zwischen den Elementen Vorflügel, fester Hauptflügel und Hinterkantenklappe öffnen, eine wichtige Rolle.

Alle Elemente müssen exakt und optimal zueinander ausgerichtet sein. Die Simulation des hochkomplexen Maximalauftriebs, der an die Grenzen des Fliegbaren reicht, ist noch immer eine große Herausforderung für heutige Computermodelle.

In dem weltweit führenden und in Europa einzigartigen Windkanal, in dem Luftfahrzeuge unter wirklichkeitsgetreuen Flugbedingungen getestet werden können, rückten die Forscher einem neugefertigten kryotauglichen Halbmodell des A320 mit ihren Messgeräten zu Leibe. Dabei kam eine Lasermesstechnik namens PIV (Particle Image Velocimetry) zum Einsatz.

Mit dieser Technik untersuchten die Forscher detailliert Bereiche, an denen es zu Wirbelbildungen und Ablösungen kommt. In diesen Bereichen verläuft die Strömung nicht mehr ideal und es finden komplexe aerodynamische Interferenzen statt, die letztlich die Hochauftriebsleistung begrenzen.

Schlüssel zum besseren Verständnis

„Mit der Lasermesstechnik PIV unserer Kollegen aus Göttingen sind wir in der Lage, die Geschwindigkeit der Strömung in den verschiedenen kritischen Bereichen der Tragfläche gleichzeitig zu erfassen“, sagt HINVA-Projektleiter Dr. Ralf Rudnik vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. „Darin liegt einer der Schlüssel zum besseren Verständnis des Auftriebszusammenbruchs“.

Mit PIV werden erstmalig experimentelle Strömungsfelddaten im Langsamflugbereich für den Vergleich mit Flugversuchsdaten und numerischen Berechnungen bereitgestellt.

Für eine möglichst genaue Nachbildung der Strömungsverhältnisse eines Verkehrsflugzeuges erhöhten die Forscher den Druck im Inneren des ETW auf 3,3-fachen Atmosphärendruck und kühlten das Strömungsgas Stickstoff auf minus 160 Grad Celsius. „1   281 Tonnen flüssigen Stickstoffs haben wir für die HINVA-Versuchsläufe in den ETW zur Verdampfung eingeleitet“, berichtet der Leiter des ETW Dr. Guido Dietz.

Am ETW können Modelle unter Anströmung von bis zu 1,35-facher Schallgeschwindigkeit untersucht werden. Bei HINVA wurden aber nur Strömungsgeschwindigkeiten bis knapp unter die Marke 0,2-facher Schallgeschwindigkeit genutzt.

Dreiwöchige Flugversuchskampagne bei Airbus

Auch bei diesen Bedingungen liefert der ETW nach Angaben von Dietz flugrelevante Daten, die in konventionellen Windkanälen nicht zu erzielen sind. Der ETW wurde von Frankreich, Deutschland, Großbritannien und den Niederlanden entwickelt und gebaut. Das DLR vertritt Deutschland als Anteilseigner.

Für die Fertigung des hochpräzise ausgelegten Windkanalmodells eines A320 verwendeten die Forscher umfangreiche Messdaten, die sie mit dem DLR-Forschungsflugzeug A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) im Juli 2012 während einer dreiwöchigen Flugversuchskampagne bei Airbus in Toulouse sammelten.

Damals erhielt das Forschungsflugzeug mehrere hundert Sensoren aus, die über die gesamte Außenhaut verteilt wurden. Eine Druckmessanlage mit Leichtmetallgurten auf der Backbordtragfläche und am Höhenleitwerk lieferte zuverlässige Strömungsdaten. Die zehn Testflüge forderten die Piloten heraus, da sie in sogenannten Überziehmanövern immer wieder die aerodynamischen Grenzen des Flugzeugs im Langsamflug ansteuerten.

jes/eb

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„Hier geht’s zur Sache“
Messung am Windkanal: Björn und Hendrik Müller testen die Aerodynamik einer Tragfläche.

„Hier geht er an, den Rest könnt ihr ja selber machen“, sagt Lennart Kanitz vom School-Lab des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zu seiner Schülergruppe. Für die Erklärung eines funktionierenden Windkanals hätte er mehr Worte verlieren können, aber seine Zuhörer wirken dennoch nicht eingeschüchtert.

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