Natürliche laminare Strömung für weniger Treibstoffverbrauch bei Flugzeugen
Wenn man zum ersten Mal Turbulenzen erlebt, kann das eine nervenaufreibende Erfahrung sein, hat aber in der Regel keine schwerwiegenden Folgen. Weniger bekannt ist allerdings, dass bessere Flügelstrukturen die Häufigkeit solcher Vorfälle verringern können und somit auch den Einfluss von Turbulenzen auf den Treibstoffverbrauch. Das ist das Prinzip von laminarer Strömung auf Tragflächen: die Luft folgt einem gleichmäßigen und regelmäßigen Pfad um die Flügel des Flugzeugs herum, sodass nur ein minimaler Luftwiderstand entsteht. Dr. Peter Kortbeek, Manager Technology Office bei Fokker Technologies erklärt dazu: „Der Widerstand bei laminarer Strömung ist annähernd proportional zur Geschwindigkeit des Flugzeugs hoch 1,5. Der Widerstand bei turbulenter Strömung ist hingegen annähernd proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit hoch 1,8 und damit wesentlich höher.“ Es gibt aber ein großes Problem: bisher hat es kein Flugzeughersteller geschafft, über der gesamten Tragfläche eine natürliche laminare Strömung zu erzeugen. Dazu muss eine perfekte Tragflächenform entwickelt und hergestellt werden, mit einer unter sämtlichen Flugbedingungen ebenen Oberfläche ohne Stufen, Spalten oder Welligkeit. Das ist leichter gesagt als getan. Die einzige bestehende Alternative ist die Hybridlaminarisierung, doch dafür muss ein System viele kleine Löcher in der Tragfläche haben und eine Pumpe, die Luft von der Grenzschicht absaugt und damit den Übergang zu Turbulenzen verhindert. Doch solche Systeme sind häufig komplex, kostspielig und erhöhen das Gewicht. Im Rahmen des Projekts ALFA wollten Dr. Kortbeek und ein Team von GKN Fokker in Zusammenarbeit mit dem Staatlichen Raumfahrtzentrum der Niederlande (NLR) einen maßstäblichen Demonstrator eines Höhenleitwerks mit natürlicher laminarer Strömung und exzellenter Oberflächenqualität entwickeln, konstruieren und herstellen. Ihre Technologie sollte mehr sein als ein Konzeptnachweis, nämlich eine in Sachen Gewicht, Produktionskosten und -dauer sowie Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit wettbewerbsfähige Lösung. Das ist kein einfaches Ziel. Die größte Herausforderung ist wahrscheinlich die Konstruktion und Herstellung des Höhenleitwerks, während gleichzeitig die Anforderungen an Stufen, Spalten und Welligkeit unter realistischen Belastungsbedingungen zu erfüllen sind. Momentan sucht das Team nach Möglichkeiten, die Stufe zwischen der Anströmkante und dem Leitwerk zu verkleinern. „Stufen entstehen typischerweise durch Anschlüsse, die die Außenhaut mit dem Rumpfwerk verbinden. Es wäre also eine Option, auf Anschlüsse zu verzichten, indem man auf Co-Bonding oder Schweißen zurückgreift. Eine andere Lösung wäre, die Anschlüsse abzudecken“, erklärt Dr. Kortbeek. „Welligkeit ergibt sich ebenso aus dem Design und aus Montageverfahren bei der Herstellung, entsteht aber auch durch Belastungen unter Flugbedingungen. Um den Anforderungen natürlicher laminarer Strömung gerecht zu werden, braucht man viel Know-how und die Unterstützung von Simulationen.“ Drei Jahre nach Projektstart und ein Jahr vor seinem Abschluss ist Dr. Kortbeek nun zuversichtlich, dass die Ziele erreicht werden. „Das wichtigste Ergebnis des Projekts wird dann der 1:1-Demonstrator sein, der alle Anforderungen der natürlichen laminaren Strömung erfüllt, aber am allerwichtigsten ist, dass diese Technologie dann so weit ist, dass sie zukünftig in Flugzeugen eingesetzt werden kann. Wir gehen davon aus, dass die NLF-Technologie innerhalb der nächsten fünf Jahre in der Luft sein wird“, so Dr. Kortbeek. Der Demonstrator wird Ende 2020 fertig sein. Es gibt bereits Gespräche mit einem Erstausrüster (OEM) über die Kommerzialisierung. Die NLF-Höhenleitwerke können dann den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen um etwa 1 % senken, wobei NLF-Flügel das Potenzial haben, sogar 5 % oder mehr einzusparen. Zwar mögen diese Einsparungen auf den ersten Blick sehr bescheiden wirken, doch wenn man den Gesamtverbrauch eines Flugzeugs betrachtet, sind sie signifikant.
Schlüsselbegriffe
ALFA, Flugzeug, laminare Strömung, Turbulenzen, turbulente Strömung, Luftwiderstand
