Innovatives Tragflügelmodell bringt Flugzeugdesign der Zukunft voran
In Europas Vision für den Luftverkehr gilt es als angesagtes Ziel, dass bis 2050 90 % der in ihrer Region Reisenden innerhalb von vier Stunden die gewünschte Strecke von Tür zu Tür bewältigen. Innovative Flugzeugtypen übernehmen dabei eine Schlüsselfunktion. Drehflügel-Flugzeuge eignen sich nicht nur für den Personenverkehr, sondern könnten auch neue Transportmöglichkeiten für die Zukunft der Luftmobilität schaffen. Mit einer größeren Strecke, die innerhalb der „goldenen Stunde“ zurückgelegt werden kann, eignen sich diese Maschinen besonders für Einsätze wie Suche und Rettung, medizinische Notfälle, Vermessungs- und Polizeieinsätze. Die Entwicklung schnellerer und nachhaltigerer Drehflügler stellt eine echte Herausforderung dar. Das EU-finanzierte Projekt FORMOSA wurde jedoch ins Leben gerufen, um die Flügelsteuerflächen des Kipprotorverkehrsflugzeugs der nächsten Generation (Next-Generation Civil TiltRotor) zu entwerfen, das von Leonardo S.p.A. im Rahmen der innovativen Luftfahrzeug-Demonstrationsplattform Fast RotorCraft des europäischen Programms Clean Sky 2 entwickelt wurde. „Die Fast RotorCraft-Plattform wird mehr Geschwindigkeit, größere Reichweiten und höhere Produktivität bieten, um die Lücke zwischen konventionellen Hubschraubern und weiteren Starrflüglerplattformen zu schließen, und FORMOSA wird seinen Beitrag in Form einer leichteren, einfacheren und effizienteren Architektur für aerodynamische Tragflügelkomponenten bei Kipprotoren leisten“, erklärt Vincenzo Muscarello, FORMOSA-Projektkoordinator.
Innovativer Kipprotorflügelentwurf
Das Forschungsteam des Polytechnikums Mailand in Italien und des Centre of Engineering and Product Development (CEiiA) in Portugal, stand vor der schwierigen Aufgabe der Konstruktion eines Tragflügelkonzepts, das verschiedene Kriterien für das Kipprotorverkehrsflugzeug der nächsten Generation erfüllt. Die Architektur des Flügels musste der einer einzigen beweglichen Fläche entsprechen, die mehrere Funktionen einschließlich der Roll- und Klappensteuerung sowie die Verringerung des Luftwiderstands des Flügels beim Start übernehmen kann. All dies mit einer minimalen Belastung in Bezug auf die Treibstoffspeicherung. Außerdem war es erforderlich, die Anzahl und das Gewicht der Aktoren zu reduzieren und die Komplexität des Antriebssystems zu verringern, wobei sowohl hydraulische als auch innovative elektrische Systeme zur Energieerzeugung in Betracht gezogen wurden. „Die Konstruktion der Steuerfläche und die Auswahl ihrer Aktoren erforderten eine korrekte Bewertung der aerodynamischen Lasten während der verschiedenen Manöver, die das Flugzeug ausführen muss, um sicher zu fliegen“, beschreibt Muscarello. Zur Lösung dieses Problems entwickelte das Team eine neue Entwurfsmethodik, welche die Ansätze der Mehrkörper- und Mid-Fidelity-Aerodynamiksimulationen in sich vereint. Das FORMOSA-Konsortium schlug ein Design vor, bei dem sowohl die Klappe als auch der Flaperon in dieselbe Fläche integriert sind, was ihre Nutzung erleichtert und das Gewicht der beweglichen Fläche reduziert. Die endgültige Tragflügelkonfiguration konnte den Download im Hubschrauberbetrieb im Vergleich zum ersten ursprünglichen Design um 9 % verringern. „Damit kann der Treibstoffverbrauch bei vertikalen Start- und Landemanövern reduziert werden, was den Zielen des Programms für saubere Luftfahrt dienlich ist“, erklärt Muscarello. Nach Angaben des Projektkoordinators konnte die endgültige Konstruktion auch im Flugzeugmodus eine bemerkenswerte Wirkung entfalten, indem die Rollleistung dank einer 25 %igen Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen der Schräglage, d. h. der Zeit bis zum Erreichen des für die Ausführung einer Kurve erforderlichen Neigungswinkels, verbesserte. Projektintern wurde außerdem ein 1:1-Funktionsmodell des Tragflügels angefertigt und getestet, um die Funktionalität der entwickelten Steuerflächen zu demonstrieren.
Auf dem Flug zur Mobilität der Zukunft
Mit der von FORMOSA erarbeiteten Technologie können nun weitere Optimierungen an dieser Drehflüglerbauform vorgenommen werden, auch im Hinblick auf den Betrieb bei kurzen Starts, Landungen und Anflügen. „Kipprotoren werden das erwartete Wachstum des Luftverkehrs unterstützen und zur Realisierung der Ziele in Bezug auf sicheres, schnelles, finanziell erschwingliches und umweltfreundliches Reisen beitragen“, stellt Muscarello fest und fügt hinzu, dass die Forschung an neuen Lösungen für die Kipprotorarchitektur die Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft Europas stärken werde.
Schlüsselbegriffe
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