Fliegen soll komfortabler und effizienter werden. Dabei können unter anderem intelligente Lastkontrollsysteme helfen, die vorausschauend auf Windböen und Manöver reagieren, indem sie Steuerflächen und Klappen blitzschnell anpassen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) kamen im Projekt oLAF (Optimal Lastadaptives Flugzeug) zu dem Ergebnis, dass ein Einsatz dieser Technologie die Belastung der Tragflächen reduziert und den Passagierkomfort erhöht. Der Treibstoffverbrauch sinkt um bis zu 7,2 Prozent und die CO2-Emissionen verringern sich deutlich.
„Durch das geschickte Zusammenspiel hochentwickelter Steuerflächen und moderner Sensoren, können wir Turbulenzen besser abfedern, die Belastung auf die Flugzeugstruktur minimieren und so effizientere Flugzeuge entwickeln“, erklärt Dr. Lars Reimer, Projektleiter des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik. Das geschieht unter anderem mit Lasersystemen und sogenannten LiDAR-Sensoren, die Windfelder per Laser vermessen und herannahende Böen frühzeitig erkennen können. Durch diese Sensoren kann das Flugzeug noch präziser und vorausschauender auf äußere Einflüsse reagieren und Steuerflächen wie Ruder oder Klappen automatisch anpassen. „Der Einsatz hochmoderner Lastkontrollsysteme reduziert nicht nur die Materialbelastung und die Lebensdauer, sondern verbessert gleichzeitig die Aerodynamik und den Wirkungsgrad moderner Verkehrsflugzeuge“, so Reimer weiter.
Simulationen und Tests bestätigen großes Potenzial
Im Projekt oLAF haben die DLR-Forscherinnen und -Forscher untersucht, wie sich der umfassende Einsatz von Lastkontrolltechnologien auf den Entwurf eines neuen Langstreckenflugzeugs auswirkt. Um das mögliche Potenzial der Technologie genau abschätzen zu können, haben sie mittels multidisziplinärer numerischer Simulation zwei Flugzeugentwürfe mit identischen Anforderungen am Computer entwickelt und anschließend miteinander verglichen: eins mit herkömmlicher Technik und eines, das konsequent, von Entwurfsbeginn an, auf hochmoderne, sogenannte aggressive Lastreduzierung ausgelegt ist. Der entscheidende Unterschied: Die neue Technologie ermöglicht Tragflächen mit größerer Spannweite und höherer aerodynamischer Effizienz – ein Paradigmenwechsel, der Treibstoffverbrauch und Emissionen erheblich senkt.
Um diese Ergebnisse abzusichern, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR-Instituts für Aeroelastik Versuche im Niedergeschwindigkeitswindkanal Braunschweig (DNW-NWB) durchgeführt. Dafür haben sie das Windkanalmodell eines elastischen Flügels mit beweglichen Hinterkantenklappen und Spoilern versehen und mithilfe eines eigens entwickelten mobilen Böengenerators künstliche Böen erzeugt. Die Schwingungen am Flügel wurden mit und ohne eingeschaltete Lastregleung verglichen. Das Resultat: Mit aktivierter Lastregelung konnten die Schwingungen effektiv reduziert und die Belastung am Flügelansatz um bis zu 80 Prozent verringert werden.
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Effizientere Tragflächen durch moderne Lastkontrolle
Die Erkenntnisse aus den Simulationen und den Versuchen zeigen: Wenn eine umfassende Lastkontrolle bereits im Flugzeugentwurf berücksichtigt wird, ermöglicht sie leichtere, höher gestreckte Tragflächen, die aerodynamisch besser sind und Treibstoff sparen. Das Flugzeug mit der neuen Technologie verbraucht den Abschätzungen zufolge bis zu 7,2 Prozent weniger Treibstoff und kann trotz möglicher zusätzlicher Wartungskosten die Wirtschaftlichkeit um bis zu 6,7 Prozent steigern. „Die Ergebnisse haben uns überrascht“, sagt Lars Reimer. „Während wir die Lastkontrolle anfangs vor allem als Methode zur Gewichtsreduktion gesehen haben, stellt sie sich jetzt vielmehr als Schlüsselelement für den Entwurf der Tragflügel von Morgen dar – mit deutlich verbesserter Aerodynamik und höherer Effizienz.“
Nächste Schritte: Technologie in die Luft bringen
Das DLR plant nun, die Technologie weiterzuentwickeln und ausgewählte erste Prototypen in Forschungsflugzeugen zu testen. Parallel dazu setzen die Forschenden die Arbeiten aus oLAF fort. Sie wollen den digitalen Entwurfsprozess, der alle relevanten Disziplinen – von der Aerodynamik über die Struktur bis hin zur Lastkontrolle – integriert, weiterentwickeln. Ziel ist es, Flugzeugherstellern eine Vorgehensweise aufzuzeigen und hochpräzise Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen sie bereits in der frühen Entwurfsphase Lastminderungstechnologien in ihre Designs einplanen können.
