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Flugzeugflügelstruktur aus Verbundwerkstoff-Titan-Hybrid mit winzigen Löchern ermöglicht laminare Strömung zur Verringerung des Luftwiderstands

Flügelkonstruktionen mit laminarer Strömung übertreffen konventionelle Konstruktionen hinsichtlich der Gleitzahl von Flugzeugflügeln – ein Maß für die aerodynamische Effizienz. Die Flugzeugkonstruktion kommt einer optimalen Leistung immer näher, dank der Laminarströmungskonstruktionen, bei denen eine anhaftende dünne Titanschicht mit winzigen Löchern zur Stabilisierung der Luftströmung beiträgt und den Luftwiderstand weiter minimiert.

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Laminare Strömung ist der heilige Gral der Flügelkonstruktion, weil sie den Luftwiderstand reduziert und dem Flugzeugingenieurswesen dabei hilft, die Umweltauswirkungen der Luftfahrt zu verringern. In diesem Zustand verhält sich die den Flügel berührende Luft wie ein Sandwich aus vielen parallelen Schichten – benachbarte Schichten gleiten jeweils wie Spielkarten aneinander vorbei. Eine laminare Strömung über die gesamte Oberfläche eines Flügels oder Hecks hinweg aufrechtzuerhalten, ist jedoch schwierig. Der kleinste Herstellungsfehler, eine scharfe Kante oder sogar ein Vogelschlag in der Flugzeughaut genügen, um den reibungslosen Fluss zu unterbrechen und den Luftwiderstand zu erhöhen. Die Luft beginnt heftig zu wirbeln, in einem Gewirr von winzigen Strudeln, die letztlich den Luftwiderstand erhöhen und die Effizienz verringern.

Neuartige Flügelkonstruktionen aus Verbundwerkstoffen für einen effizienteren Flug

„Die Zukunft des nachhaltigen Flugverkehrs ist auf eine Ausrichtung hin zu neuen und effizienteren Flugzeugen angewiesen, die weniger Treibstoff verbrauchen. Optimierungen bei der Flügelkonstruktion bergen das Potenzial, die Effizienz zu verbessern und die Umweltbelastung zu verringern. Die Steuerungstechnologie für hybride laminare Strömungen, welche den Luftdruck an der Vorderkante des Flügels verändert, kann die aerodynamische Effizienz weitgehend verbessern und den Luftwiderstand am Flügel verringern“, bemerkt Wouter van den Brink, Koordinator des EU-finanzierten Projekts TICOAJO. Die Arbeitstechnik hinter der Steuerungstechnologie für hybride laminare Strömungen beruht darauf, dass ein Teil der turbulenten Luftströmung um ein Flugzeug herum durch Mikroperforationen in seiner Haut angesaugt wird. Diese winzigen Löcher entfernen stetig die Grenzschicht, in der sich Turbulenzen entwickeln, und erzeugen dadurch eine stabilere aerodynamische Strömung. Das Projekt TICOAJO machte bedeutende Fortschritte in der Steuerungstechnologie für hybride laminare Strömungen, indem es die Verbindung zwischen der dünnen Folie aus Titan, welche vollständig mit unzähligen mikroskopisch kleinen Löchern perforiert ist, und einem Teil des Flugzeugflügels aus Verbundwerkstoff untersuchte. „Perforierte Titanoberflächen sind dünne Metallplatten, welche die Vorderkante des Flügels bedecken und winzige Löcher (etwa 0,1 mm Durchmesser) enthalten, die den Luftstrom über dem Flügel verändern“, erklärt van den Brink.

Herstellung einer starken Verbindung zwischen ungleichen Werkstoffen

Im Rahmen des Projekts wurde untersucht, wie gut verschiedene Klebstoffformulierungen ihre Haftfestigkeit beim Zusammenfügen von Verbundwerkstoff und Titan beibehalten, um eine Trennung der beiden Werkstoffe während des Fluges zu verhindern. „Was passiert, wenn ein Vogel auf den Flügel schlägt? Wie wird die Flügelstruktur nach 20 Jahren Flugzeit aussehen?“ fragt van den Brink. Die Forschenden versuchten, diesen Herausforderungen zu begegnen, indem sie Statik-, Dynamik- und Ermüdungsanalysen an der neu entwickelten Flügel-Demonstratortafel für laminare Strömungen durchführten. Neben der Erprobung der richtigen Klebstoffformulierungen und -techniken wandte das Projektteam in seinem Demonstrator auch fortschrittliche Vorbehandlungstechniken an. Das Sandstrahlen, ein Oberflächenbehandlungsverfahren zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften, bei dem Schleifpartikel mit Hilfe von Druckluft durch eine Düse geschossen werden, ist eine solche Technik. Eine weitere Technik stellt das Ultraviolett-Ozon-Reinigungsverfahren dar, das hochwirksam eine Vielzahl von Verunreinigungen von Oberflächen entfernt. Das Projekt hält viele Details unter Verschluss, aber nach Angaben des Projektkoordinators übertreffen die neuartigen Kombinationen von Klebstoff- und Vorbehandlungslösungen den Stand der Technik.

Schlüsselbegriffe

TICOAJO, Flugzeugflügel, Verbundwerkstoff, Luftwiderstand, Klebstoff, winzige Löcher, hybride laminare Strömungssteuerung, Oberflächenbehandlung, Sandstrahlen, Mikroperforationen, Luftstrom

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