Neue Gestaltungskonzepte für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge
Die Gestaltung von Hochgeschwindigkeits-Passagierflugzeugen ist äußerst diffizil: die Designabläufe unterscheiden sich von denen konventioneller Flugzeuge und bereits vorhandene Designs lasse sich nicht ohne Weiteres anpassen. Flugzeugkonstrukteure benötigen einen völlig neuen Ansatz für diese Flugzeuge. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ATLLAS II (Aero-Thermodynamic Loads on Lightweight advanced Structures II) wurde die erforderliche multidisziplinäre Entwurfsmethodologie entwickelt. Die Arbeit baute auf den Erfolgen eines vorhergehenden EU-Projekts auf (ATLLAS I). Die Resultate adressierten ungewöhnliche Flugbedingungen wie etwa eine große Flughöhe sowie hohe Temperatur- und Druckbedingungen. Die neue Methode resultierte in der Gestaltung eines neuen Mach-5-Flugzeugs für 200 Passagiere, welches Kerosin als Treibstoff verwendet und eine Reichweite von ca. 9 000 km hat. Das Team entwickelte zudem mehrere Hochtemperaturmaterialien. Weitere Innovationen wie bspw. eine nickelbasierte Hohlkugel und eine Düsenanordnungsmethode unterstützten die internen und externen Luftströmungsmuster. Die Gruppe beschrieb die Eigenschaften der neuen Materialien bei hohen und niedrigen Temperaturen und vervollständigte die im Zuge von ATLLAS I entwickelten Hochtemperaturmaterialien. Forscher demonstrierten die Anwendbarkeit der neuen Materialien auf funktionale Geometrien. Hierzu zählten unter anderem Fluginstrumenteanzeigen und weitere Flugzeugkomponenten. Die Funktionalität der Materialien wurde umfassend unter Umgebungsbedingungen getestet, die repräsentativ für die Flugbedingungen waren. Die Ergebnisse machten im Hinblick auf die Testbedingungen eine längere Expositionsdauer möglich. Während bei ATLLAS I eine Dauer von Minuten möglich war, ließen die neuen Ergebnisse eine Exposition über mehrere Stunden zu. Das Team untersuchte zudem fundamentale Aspekte hinsichtlich der Kühlung und der Aerodynamik von Grenzschichtübergängen. Die hohen Wärmeströmungen in den Brennkammern und deren Regelung über die äußeren Beplankungen müssen auf clevere Weise gehandhabt werden, um ein Überhitzen zu vermeiden und gleichzeitig muss die insgesamte Antriebs- sowie aerodynamische Effizienz maximiert werden. Eine Umweltfolgenabschätzung zeigte, dass das Überschallknallniveau des neuen Flugzeugs trotz einer höheren Geschwindigkeit und eines größeren Knallteppichs unterhalb dessen der Concorde lag. Das Team untersuchte darüber hinaus die Auswirkungen durch Wind, Turbulenzen und Kaustik. Die Abgasemissionen sorgten für weniger atmosphärisches Ozon, es waren jedoch noch weitere Tests erforderlich, um die langfristigen Auswirkungen festzustellen. Die im Zuge von ATLLAS II für die Gestaltung eines neuen Mach-5-Flugzeugs verwendeten Prozesse können auf andere Anwendungsbereiche und Geschwindigkeiten angepasst werden. Die Arbeit ebnete überdies den Weg für wichtige Technologien, die für ein sowohl markttaugliches als auch umweltfreundliches Hochgeschwindigkeitsfahrzeug erforderlich sind.
Schlüsselbegriffe
Flugzeugdesign, Überschall, Mach 5, ATLLAS II, Überschallknall, Hochtemperaturmaterial, Stratosphäre, Emissionen, Keramik, Kühlung, Hochgeschwindigkeitsübergang, MDO, Strukturen
