Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist gemeinsam mit Flugzeugbauer Airbus eine Weltpremiere gelungen: Erstmals haben sie im Flug die Luftströmung an der Tragfläche eines Passagierjets mit einem Laser sichtbar gemacht.
Sie entwickelten ein Verfahren, das die oberhalb des Flügels vorbeiströmenden Nebeltröpfchen erfasst und damit jede noch so kleine Luftbewegung zeigt. Die Erkenntnisse helfen, zukünftige Tragflächen für langsamere und leisere Anflüge zu optimieren.
Laserschnitt macht Strömung für Spezialkameras sichtbar
Christina Politz und ihr Team vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik starteten am 06. Januar 2014 zu dem abendlichen Versuchsflug mit dem DLR-Forschungsflugzeug A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) vom Braunschweiger Forschungsflughafen. Dreieinhalb Stunden waren sie in der Luft. Bei mehrwöchigen Vorbereitungsarbeiten montierten sie zuvor in der Kabine des stark modifizierten ehemaligen Passagierjets einen auffächerbaren Laser hinter einer speziellen optischen Scheibe.
"Daneben installierten wir jeweils links und rechts zwei hochauflösende Spezialkameras hinter weiteren Kabinenfenstern und richteten Laser und Kameras auf die Tragfläche aus", berichtet Luftfahrtforscherin Politz. "So konnten wir im Flug tausende Bilder vom Funkeln der Nebeltröpfchen mit einem sogenannten Laserschnitt machen."
Im Cockpit mit Laserschutzbrillen zu sitzen war für die DLR-Testpiloten eine neue Erfahrung, denn noch nie flimmerten in der Luft Laserstrahlen über die Tragflächen des Forschungsjets ATRA. "Es war schon etwas Besonderes bei diesem Erstflug der etwas anderen Art das Steuer in der Hand zu halten", sagt Hans-Jürgen Berns von den DLR-Flugexperimenten. "Ein anspruchsvolles Unternehmen, das wir gut gemeistert haben."
Langsamer in den Endanflug gegen den Lärm
Derzeit entstehen aus den Aufnahmen am Computer erste präzise 3D-Animationen der Tragflächenströmung. "Wir wollen in bisher unerreichter Genauigkeit wissen, wie sich die Strömung im Langsamflug an den Tragflächen und Landeklappen sowie insbesondere im Bereich der Triebwerksgondeln verhält", sagt Prof. Dr. Ralf Rudnik vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, der das Projekt HINVA (High Lift Inflight Validation) leitet. "Wenn wir die aerodynamischen Grenzen bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten noch besser verstehen, dann haben wir die Möglichkeit diese Grenzen zukünftig weiter zu unseren Gunsten zu verschieben."
Der Vorteil dabei: Verkehrsflugzeuge, die im Endanflug langsamer fliegen, sind leiser und kommen mit kürzeren Start- und Landebahnen zurecht. Herstellerangaben beschränken die Anfluggeschwindigkeit von Passagiermaschinen heute noch auf etwa 200 bis 250 Kilometer pro Stunde. Die genauen Werte hängen vom jeweiligen Flugzeugtyp und der Beladung ab. Die nun gewonnenen Flugversuchsdaten, kombiniert mit vorausgegangenen Windkanalmessungen und computergestützten Strömungssimulationen des HINVA-Projekts, liefern eine reichhaltige Datengrundlage.
Damit können zukünftig deutlich besser an den Langsamflug angepasste Tragflächen und Klappensysteme entwickelt werden, um langfristig das Tempolimit rund um die Flughäfen zu senken. Der Verbundpartner Airbus unterstützt das Projekt im Rahmen seiner Forschungsaktivitäten, denn die angestrebte präzise Vorhersage der Strömungsvorgänge bei Start und Landung sind ein wesentlicher Beitrag für die Verbesserung künftiger Flugzeugentwicklungen.
Echtzeitmessung in ganzen Ebenen
Die angewandte Lasermesstechnik PIV (Particle Image Velocimetry) ist eine Entwicklung Göttinger DLR-Forscher. Dabei werden in ein zu untersuchendes Strömungsfeld mikrometergroße Partikel eingebracht, deren Echtzeitbewegung von Hochleistungskameras erfasst wird. Dabei werden bereits die Lärmquellen von Flugzeugtriebwerken erfasst. Im Flugversuch nutzten die DLR-Forscher anstatt künstlicher Partikel die natürlich vorhandenen Tröpfchen einer Wolke. Mithilfe einer speziell entwickelten Software lässt sich das gesamte betrachtete Strömungsfeld dreidimensional berechnen und darstellen.
Bisher ist es nicht möglich gewesen an einem Passagierjet die Umströmung einer Tragfläche dreidimensional unter realen Flugbedingungen flächig zu vermessen. Zuvor mussten sogenannte Messonden umständlich auf die Tragfläche geklebt werden. Nachteil: Sie beeinflussen die Luftströmung und messen nur an einzelnen Punkten auf der Oberfläche. 2009 und 2013 erprobten DLR-Forscher die Lasermesstechnik PIV bereits für den Einsatz in der Luft mit dem deutlich kleineren propellergetriebenen DLR-Forschungsflugzeug Do-228. Ein weiterer "Laser-Flug" mit dem ATRA ist morgen am 08. Januar 2015 geplant.
Titelbild: Während des Messfluges zeigen sich Strömungswirbel im Laser-Lichtschnitt über der Tragfläche des ATRA. Die Wirbel erzeugen Kondensation und zeichnen sich deshalb besonders deutlich ab. Ganz links ist die indirekt beleuchtete Flügelspitze mit Winglet (Fencelet) erkennbar. Der helle Strich ist die Auftrefflinie des Lichtschnitts auf der Tragfläche.
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