Revolutionäre Sensoren steigern aerodynamische Leistung der Tragflächen
Die Kontrolle der laminaren Strömung gilt im Flugzeugbau als die interessanteste Aufgabe, da dadurch der Widerstand verringert wird. Laminare Strömung beschreibt im Wesentlichen der Weg, den der Luftstrom unter und über den Tragflächen nimmt, wobei er ebenen, parallelen Bahnen folgt, ohne dass es dazwischen zu einer Unterbrechung kommt. Als ihr Pendant fungiert die turbulente Strömung, die unabhängig von der Größe und Form der Tragflächen auftritt. Während die Luft über die Tragfläche strömt, wird aus der Schnittstelle ein chaotischer Bereich voller unregelmäßiger Schwingungen, Wirbeln und steigendem Druck, wodurch der Luftwiderstand und der Treibstoffverbrauch zunehmen.
Erkennung von Oberflächenreibung und Druck
„Diese in der Industrie als Oberflächenreibung oder Wandschubspannung bekannte Kraft steht zusammen mit dem Druck für die Strömungsphysik in der Nähe der Tragfläche“, sagt Julien Weiss, Koordinator des EU-finanzierte Projekts SKOPA. „Wir haben ein einsatzbereites Messsystem entwickelt und gefertigt, bei dem Wärmesensoren die Oberflächenreibung und faseroptische Sensoren den Druck messen. Die Technologie könnte die Auswirkungen der Strömungsablösung mindern und dadurch die aerodynamische Effizienz und Flugsicherheit erhöhen.“ Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren sind die neuen faseroptischen Sensoren weniger anfällig für externe Störungen und Lärm. Außerdem sollen die Wärmesensoren sowohl die Amplitude als auch die Richtung der Oberflächenreibung auf einer Tragfläche erkennen. Die meisten Sensoren erkennen dagegen nur die Amplitude.
Flugzeugmotoren der nächsten Generation
Die Projektarbeit wird eine enorme Bedeutung für die Entwicklung leiserer, umweltfreundlicherer und sparsamerer Motoren haben, darunter Motoren mit extrem hohem Nebenstromverhältnis. Diese haben eine höhere Antriebseffizienz, erfordern jedoch die Entwicklung relativ großer Gondeln. „Damit der Abstand zwischen der Gondel und der Landebahn ausreichend groß ist, ohne dass es längerer Fahrwerkstreben bedarf, muss sich die Gondel näher an der Tragfläche befinden. Dadurch ist das Risiko für eine Strömungsablösung im Bereich der Pylon-Flügel-Verbindung jedoch höher, vor allem beim Start und der Landung“, erklärt Weiss. Eine Strömungsablösung wäre besonders schädlich, da sie sowohl den maximalen Auftriebsbeiwert als auch das Gleitverhältnis des Flugzeugs einschränken würde – zwei aerodynamische Größen, die entscheidend für den Start bzw. die Landung sind. Im Rahmen des Forschungsprogramms Clean Sky 2 der Europäischen Kommission wurden integrierte Verfahren für eine aktive Strömungskontrolle an der Pylon-Flügel-Verbindung eingeführt, die mögliche Strömungsablösungszonen reduzieren oder beseitigen sollen. „Mit unserer neuen Technologie können Ingenieurinnen und Ingenieure die Wirksamkeit der Strömungskontrollsysteme beurteilen und die Aerodynamik neuer Transportflugzeuge weiter optimieren“, so Weiss. Die Projektpartner testeten die Reaktion der beiden Sensoren anhand eines industriellen Außenflügelmodells, das über eine aktive Strömungskontrolle verfügt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wärmesensoren die erhöhte Wandschubspannung, welche durch den Antrieb der aktiven Strömungskontrolle verursacht wurde, effektiv messen konnten. Der statische Druck und die Druckschwankungen, die vom Drucksensor gemessen wurden, stimmten mit den Referenzdaten überein. Nach den Windkanaltests konnten die Projektpartner die Flugbereitschaft beider Sensoren mithilfe des Ultraleichtflugzeugs Light Aircraft for Science, Education and Research (LASER) der Technischen Universität Berlin betätigen. „Flugtests liefern wertvolle Einblicke in die Physik des Fliegens, erfordern jedoch eine grundlegende, stabile Sensortechnik. Dank unseres winzigen Drucksensors, der genaue Messungen in einem großen dynamischen Bereich bietet, sind Feldversuche in rauen Umgebungen möglich. Aufgrund der Eigenschaften, die faseroptische Systeme haben, eröffnen faseroptische Sensoren außerdem eine vielversprechende Lösung für raue Umgebungen. Es ist keine elektromagnetische Kupplung, keine Korrosion vorhanden, sie haben ein passives Design und bieten eine unübertroffene Sicherheit und Stabilität bei Überlastung“, so Weiss abschließend.
Schlüsselbegriffe
SKOPA, Oberflächenreibung, Strömungsablösung, aktive Strömungskontrolle, faseroptische Sensoren, Drucksensoren, Triebwerke mit extrem hohem Nebenstromverhältnis
