Passagierflugzeuge: Sicher und effizient

Im Kampf gegen den Klimawandel arbeitet die Flugbranche intensiv an der Senkung ihres fossilen Energieverbrauchs. Neben alternativen Treibstoffkonzepten suchen die Hersteller nach Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung. Dafür müssen Flugzeuge künftig unabhängig von der Antriebsart bereits in der Entwurfsphase besser auf zu erwartende Lasten im Reiseflug oder auch in Extremsituationen ausgerichtet werden. Genau dies ist das Ziel der DFG-Forschungsgruppe 2895 an der Universität Stuttgart: Koordiniert durch das Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart  wollen die Forschenden die physikalischen Phänomene bei der Flugzeugumströmung besser verstehen und konnten jetzt beeindruckende Messergebnisse vorlegen. 

Die Gruppe mit dem Namen „Erforschung instationärer Phänomene und Wechselwirkungen beim High-Speed Stall“ (Sprecher Dr. Thorsten Lutz, IAG) umfasst in sieben Teilprojekten Wissenschaftler*innen an vier deutschen Universitäten sowie am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und wird von der Forschungsgemeinschaft DFG gefördert. Die Federführung liegt in Händen des IAG der Universität Stuttgart, das zudem zwei der wissenschaftlichen Teilprojekte bearbeitet. Dabei nutzen die Wissenschaftler*innen Windkanaldaten aus aufwändigen Experimenten im Europäischen Transsonischen Windkanal (ETW) in Köln, um in Verbindung mit modernsten numerischen Simulationsmethoden Einblicke in die physikalischen Prozesse im Flügelnachlauf zu bekommen.

Nur solche bei großer Kälte und bei Überdruck betriebenen sogenannten kryogenen Windkanäle sind in der Lage, Flugbedingungen aus dem realen Betrieb an Modellen nachzubilden. Hierzu wird ein aus Spezialstahl hergestelltes und mit Messtechnik vollgepacktes Flugzeugmodell in eine auf bis zu -160°C heruntergekühlte Umgebung eingebracht. Ein starker Kompressor erzeugt eine Anströmung bis 800 km/h und bildet die Bedingungen im Reiseflug knapp unterhalb der Schallgeschwindigkeit nach. Der Betrieb der Anlage ist teuer und jede Sekunde zählt. Um die Zeit im Kanal optimal zu nutzen, wird daher jeder Aspekt einer solchen mehrtägigen Messkampagne vorab monatelang akribisch geplant und optimiert. Die ersten Messreihen fanden Ende 2020 und 2021 statt.

In den aktuellen Messreihen gelang es Wissenschaftler*innen des DLR nun erstmals, den Druck auf dem gesamten Flügel und auf dem Leitwerk zu messen. Hierfür beschichteten sie die Oberflächen mit einem druckempfindlichen Lack und nutzten Hochgeschwindigkeitskameras, die bis zu 2.000 Fotos pro Sekunde aufnehmen. Eigens geschriebene Bildverarbeitungsalgorithmen erlauben es, die Bilder in Druckinformationen umzurechnen. „Solche fein aufgelösten Informationen sind für die Aerodynamiker Gold wert“, betont Koordinator Dr. Thorsten Lutz. „Damit lassen sich kleinste Schwankungen der Druckverhältnisse am Flügel erfassen und wir verstehen, ab welchen Flugzuständen diese zu einer Größe anwachsen, die im Flugzeug Vibrationen und unerwünschte Lasten erzeugt.“ 

Die Umströmung ist jedoch nicht nur an der Oberfläche von Bedeutung, sondern zum Beispiel auch am Flügelnachlauf, also in dem turbulenten Bereich hinter dem Flügel. Treffen die dort vorkommenden chaotisch schwankenden Luftteilchen auf das hinten liegende Leitwerk, führt dies zu unerwünschten Vibrationen, die sich negativ auf die Lebensdauer der Teile auswirken können. Die Bewegung der Luft ist aber mit bloßen Auge nicht erkennbar. Konstrukteure legen das Flugzeug und seine Steuerung daher so aus, dass diese Wechselwirkung möglichst vermieden wird.

Was passiert, wenn dies in einer Extremsituation doch auftritt, machten die Forschenden mittels Lasertechnik sicht- und messbar. Bei der sogenannten der PIV (Particle Image Velocimetry) Methode werden kleinste Eiskristalle in die Strömung gegeben, die von einem Laser beleuchtet und mit einer extrem schnellen Kamera fotografiert werden. Dies offenbart die Bewegung der Luftteilchen durch das turbulente Strömungsgebiet und gibt den Forschern Aufschlüsse über die dadurch verursachten Kräfte auf das Flugzeug. „Damit können wir in einer Detailtiefe in die Umströmung eines Verkehrsflugzeugs blicken, von der wir bisher nur träumen konnten”, konstatiert Lutz. „Durch die Analyse dieser Daten verstehen wir viel besser, was passiert, wenn das Flugzeug zum Beispiel von einer starken Böe erfasst wird.”