Versuch: Luftabsaugung verbessert Aerodynamik

Im Projekt AFLoNext (Active Flow Loads & Noise control on next generation wing) erforschen 40 Partner aus 15 unterschiedlichen Ländern mit Airbus als Koordinator und unter wesentlicher Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR)Technologien der Strömungs- und Lastenkontrolle.

Mit steigendem Wachstum des weltweiten Luftverkehrsaufkommens muss das einzelne Luftfahrzeug deutlich effizienter werden. Die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der Emissionen erfordert eine aerodynamische Effizienzsteigerung für zukünftige Flugzeuge.

Luftabsaugung gezielt am Flugzeug

Ausgehend von Braunschweig finden von April bis Mai 2018 Flugversuche mit einem am DLR-Forschungsflugzeug A320 ATRA umgebauten Seitenleitwerk statt. Hierbei wird erstmals in Europa ein neues System zur Hybridlaminarisierung im Flugversuch getestet. Mit dieser Technologie der schwachen, gezielten Absaugung soll für Flugzeuge von Morgen der Treibstoffverbrauch deutlich gesenkt werden. Zudem stehen effektive Lärmminderungsmaßnahmen mit einem hohen Reifegrad für die Auslegung der Flugzeuge von Morgen im Fokus.

Die Hybrid-Laminarisierung (HLFC: Hybrid Laminar Flow Control) ist eine Schlüsseltechnologie zur signifikanten Reduktion des Treibstoffverbrauchs und der Emissionen mit einem Einsparpotential für Langstreckenflugzeuge von bis zu neun Prozent beim Verbrauch. “Eine laminare Grenzschicht weist geordnete Strukturen auf mit wenig Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtung, was einen geringen Reibungswiderstand bewirkt”, erklärt der Projektleiter für die HLFC-Technologie im Flugversuch Dr. Heiko Frhr. Geyr von Schweppenburg vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. “Unser Ziel ist Stabilisierung der laminaren Grenzschicht durch schwache aber gezielte Absaugung weit über den Punkt ihrer natürlichen Transition hinaus. Mit dieser Hybrid-Laminarisierung lässt sich der Reibungswiderstand deutlich reduzieren und mit ihm der Treibstoffverbrauch, die Emission von Schadstoffen und damit auch die Energiekosten.”

Das Prinzip ist nicht neu. Seine Wirksamkeit wurde bereits 1998 im Flugversuch gezeigt, damals allerdings mit einem immensen technischen Aufwand. Im EU-Projekt ALTTA ist 1998 vom DLR bereits ein deutlich vereinfachtes System entwickelt worden, seine Funktionalität konnte bisher aber nicht im Flugversuch nachgewiesen werden. Heute ist man in Puncto Herstellung einen erheblichen Schritt weiter gekommen. “Die Frage ist also nicht, ob das System prinzipiell funktioniert, sondern mit welchem Aufwand lässt sich ein HLFC-System in den Flugversuch bringen, welche Leistung zeigt es unter realen Bedingungen und wie gut sind unsere Auslegungs- und Berechnungsverfahren”, ergänzt Dr. Heiko Frhr. Geyr von Schweppenburg.

Ziel der Flugversuche sind sowohl die Demonstration der Funktion des vereinfachten HLFC-Systems als auch die Verifikation und Validierung der Gesamtkette vom Design bis zur Fertigung des Systems. Ein erfolgreicher Funktionsnachweis des HLFC-Systems unter realen Bedingungen im Flugversuch trägt maßgeblich zum Erreichen des sogenannten Technology Readiness Levels 4 dieser Technologie bei. Dieses stellt die Basis dar für weiterführende Technologieforschung im Europäischen Rahmen, als auch für Technologieentwicklungsprogramme der Europäischen Luftfahrtindustrie.

Ansaugklappe oder Kompressoren

Im November 2017 fand bereits ein erster Checkflug mit dem HLFC-System statt. “Es funktionierte einwandfrei, allerdings mussten Nachbesserungen an der Verkleidung der Infrarot-Kameras am Höhenleitwerk durchgeführt werden”, erklärt Gerald Ernst von der DLR-Einrichtung Flugexperimente. Für die jetzigen Flugversuche haben die Mitarbeiter von DLR und Airbus das überarbeitete Bauteil am Seitenleitwerk innerhalb von zwei Monaten erneut eingebaut.

Seit einem zweiten Checkflug am 09. April 2018 fliegt das DLR-Forschungsflugzeug ATRA nun kontinuierlich mit dem modifizierten Seitenleitwerk. “Wir testen unser Absaugsystem in verschiedenen Höhen, Geschwindigkeiten und Schiebewinkeln”, erklärt Dr. Heiko Frhr. Geyr von Schweppenburg die Flugversuche. “Wir variieren hierbei die Absaugleistung um die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Systems zu testen. Die aufwändige Instrumentierung des HLFC-Systems und des Seitenleitwerks erlaubt uns sehr detaillierte Messungen durchzuführen. Mit der neuen Inflight-Datenauswertung können wir die einzelnen Testpunkte sehr effizient ansteuern und wissen genau, wie unser System reagiert.”

Dabei untersuchen die Wissenschaftler auch zwei verschiedene Systeme zur Energiegewinnung für das Absaugsystem. Zum einen ein aktives System. Dabei erzeugen Kompressoren den für die Absaugung notwendigen Unterdruck im HLFC-System. Kompressoren haben einen hohen Wirkungsgrad, erfordern aber auch einen deutlich höheren System- und Wartungsaufwand. Die zweite Variante ist ein passives System mit einer speziell ausgelegte Absaugklappe entgegen der Flugrichtung. Diese ist geöffnet, hierdurch wird der Unterdruck für die Absaugung erzeugt. Dieses System braucht keine Kompressoren, hat allerdings einen geringeren Wirkungsgrad als Kompressoren.

Numerik für den Tragflügel validieren

Im Projekt AFLoNext wird das systemtechnisch deutlich vereinfachte HLFC-System europaweit erstmals im Flugversuch getestet. Zum einen steht die Funktionsverifikation des HLFC-Systems unter realen atmosphärischen Bedingungen im Fokus. Zum anderen werden wertvolle Validierungsdaten erzeugt, mit denen überprüft wird, ob die numerischen Vorhersagen und eingesetzten Berechnungsmodelle und Designverfahren der Wissenschaftler mit den Messungen im Flug übereinstimmen. Um die Auswirkungen realer Wetterbedingungen auf das HLFC-System festzustellen, sind über das Projekt hinaus Flüge bei unterschiedlichen Wetterbedingungen geplant. Anschließend werden die Daten ausgewertet und weiter bearbeitet.

“Unser Ziel ist es, Funktion und Leistung zu untersuchen und unsere Auslegungsverfahren zu verifizieren und zu validieren. Mit dem Erreichen eines hohen Reifegrades der Auslegungs- und Entwurfsverfahren ist es dann möglich, die HLFC-Technologie im Gesamtsystem Flugzeug bestmöglich zu integrieren. Die Zielapplikation ist der Tragflügel. Hier ist es dann zwingend erforderlich, ein wohlbalanciertes Optimum zwischen aerodynamischer Leistung, Systemaufwand, Gewicht, Herstellungskosten etc. zu finden. Wenn dies gelingt, werden wir die HLFC-Technologie im Flugzeug von Morgen sehen. AFLoNext ist hierfür ein Wegbereiter”, wagt Dr. Heiko Frhr. Geyr von Schweppenburg einen Blick in die Zukunft.

AFLoNext ist ein gemeinschaftliches europäisches Forschungsprojekt mit einer Laufzeit von 5 Jahren. Übergeordnete Zielsetzung ist die Schärfung und Bereitstellung von effizienten Technologien zur Strömungskontrolle für eine signifikante Reduktion des Treibstoffverbrauchs zukünftiger Transportflugzeuge. Dieses Projekt ist gefördert durch das siebte Rahmenprogramm FP7/2007-2013 der Europäischen Union mit dem Grand Agreement n°604013. Im Einzelnen beteiligt sind: Airbus, DLR, SONACA, TAI, AcQ Inducom, Fraunhofer, Dassault, FOI, IBK, ONERA, CIRA.

Auf der ILA und den Bildern

Vom 25. bis zum 29. April 2018 ist das DLR-Forschungsflugzeug A320-ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) in vollständiger AFLoNext-Forschungskonfiguration auf der ILA 2018 in Berlin zu sehen.

• Absaugsystem am Seitenleitwerk Absaugsystem am Seitenleitwerk: Am Seitenleitwerk des DLR-Forschungsflugzeugs ATRA ist das Absaugsystem des Projekts AFloNext realisiert.
• AFloNext am ATRA: Das DLR-Forschungsflugzeug ATRA mit dem modifizierten Seitenleitwerk des Projekts.
• Absaugsystem AfloNext am Seitenleitwerk Absaugsystem: Die Absaugung kann mit Ansaugklappe oder Kompressoren erfolgen.

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