Fortschrittliche laminare Flügeltechnik für nachhaltigere Flugzeuge
Die weltweite Luftfahrtindustrie ist für fast 2,5 % aller vom Menschen verursachten CO2-Emissionen und für 12 % der gesamten CO2-Emissionen aller Verkehrsträger verantwortlich. Daher steht der Sektor unter zunehmendem Druck, seinen ökologischen Fußabdruck zu verringern. Neben der Verwendung alternativer Kraftstoffe wie nachhaltigem Flugzeugtreibstoff gilt die Steigerung der Flugzeugeffizienz als einer der vielversprechendsten Ansätze zur Emissionsreduzierung. Laut der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) stehen Verbesserungen in den Bereichen Aerodynamik, Antrieb und Leichtbau in direktem Zusammenhang mit der Verringerung von Flugzeugemissionen. Eine dieser Technologien ist die Laminarflügeltechnik – ein Flügeldesign, das Reibung und Luftwiderstand senkt, indem es für einen gleichmäßigen Luftstrom über die Tragflächen sorgt. „Die Laminarströmungstechnik gilt als die größte Quelle für die Verringerung des Luftwiderstands und verspricht eine deutliche Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen“, sagt Jochen Wild, leitender Forscher am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts UHURA leitete das DLR ein Industrieprojekt zur Weiterentwicklung der Krügerklappen. „Diese Vorrichtungen zur Erhöhung des Auftriebs, die an der Vorderkante eines Flugzeugflügels angebracht werden können, haben das Potenzial, die laminare Flügeltechnik entscheidend voranzubringen“, erklärt Wild.
Ein äußerst nützlicher Datensatz
Zunächst untersuchten die Forschenden die Qualifizierung der Simulationsmethoden zur Vorhersage der instationären Strömung von ablenkenden Hochauftriebssystemen. „Diese Phase war besonders kritisch, da die Krügerklappen dazu neigen, die Tragfläche teilweise gegen die Luftströmung abzuschirmen, was bedeutet, dass ein erheblicher vorübergehender Auftriebsverlust nicht ausgeschlossen werden kann“, sagt Wild. Da keine Daten verfügbar waren, mussten die Forschenden, um die Gültigkeit ihrer Simulationen zu beweisen, eine Datenbank mit Windkanaltests erstellen und diese dann mit ihren Simulationsergebnissen vergleichen. Das Ergebnis dieser Bemühungen ist eine weltweit einzigartige Quelle für instationäre Daten im Bereich der langsamen Strömung. „Dieser Datensatz wird sich als äußerst nützlich erweisen, nicht nur für künftige Forschungsarbeiten über das aerodynamische Verhalten von Krügerklappen, sondern auch für die Validierung von Simulationsmethoden“, bemerkt Wild.
Bewertung der kritischen Merkmale instationärer Strömungen
Auf der Grundlage dieser Informationen richteten die Forschenden ihre Aufmerksamkeit auf die Entdeckung und Bewertung kritischer instationärer Strömungsmerkmale. „Wir wollten die Empfindlichkeiten verschiedener Aspekte des Flügeldesigns verstehen, wie z. B. die Auswirkungen der Tragflächenpfeilung und der Ablenkungsgeschwindigkeit, die alle die Umsetzung vorantreiben könnten“, erläutert Wild. Eine wichtige Entdeckung war, dass die Tragflächenpfeilung und die Dreidimensionalität der Strömung den Auftriebsverlust nicht verstärken. „Diese Entdeckung unterstreicht, dass die experimentellen und simulierten Daten ein sehr vollständiges Bild der Auswirkungen der Krügerklappenbewegung auf ein Flugzeug und der Maßnahmen, die zur Gewährleistung der Flugsicherheit ergriffen werden müssen, liefern“, fügt Wild hinzu.
Den Weg zum laminaren Flügel ebnen
Nachdem die Machbarkeit der aktuellen Krügerklappenkonstruktion als Mittel zur Ermöglichung der laminaren Flügeltechnik bewiesen wurde, stellten die Forschenden Leitlinien für die Implementierung der Technik in die Flugzeugkonstruktion zusammen, einschließlich Empfehlungen für Systemarchitekturen. „Das Projekt UHURA hat die Krügertechnologie erfolgreich hergestellt und dazu beigetragen, einige Hindernisse bei ihrer Umsetzung zu beseitigen“, so Wild abschließend. „Ich bin zuversichtlich, dass wir damit dazu beigetragen haben, den Weg für den Einsatz von laminaren Flügeln in zukünftigen Transportflugzeugen zu ebnen.“
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