Tragflächen, die sich automatisch der Flugsituation anpassen, sollen den Treibstoffverbrauch künftiger Verkehrsflugzeuge verringern. Ein Bericht über neueste technische Entwicklung von Norbert Thomas für bild der wissenschaft (12/96).

bild der wissenschaft: Adaptive Tragflächen reduzieren Kerosinverbrauch

Exakt 100 Jahre nach seinem tödlichen Absturz erfährt Flugpionier Otto Lilienthal unverhofften Aufschwung. Die konstruktiven Fortschritte im Flugzeugbau machen es inzwischen möglich, Ideen umzusetzen, die der Berliner 1887 in seiner Schrift „Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst” veröffentlichte: Forscher, Entwickler und Praktiker der Daimler-Benz-Forschung München, der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie der Daimler Benz Aerospace (Dasa) Bremen wollen bis 2008 eine Tragfläche konstruieren, die sich – vogelgleich – wechselnden aerodynamischen Bedingungen anpaßt. Das Wunderwerk heißt ADIF – „adaptiver Flügel”.

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Was Gleitsegler Lilienthal zur Kaiserzeit den gefiederten Fliegern abschaute, ließ sich mit den damaligen technischen Möglichkeiten nicht in die Praxis umsetzen. Statt geschmeidiger Kunstvögel, die sich durch Spreizung und Verdrehung ihrer Flügel jeder Situation optimal anpassen können, entstanden daher ebenso komplizierte wie wackelige Konstrukte – sternenweit entfernt von der eleganten Luftbeherrschung einer Taube, mit deren Namen sich viele der fliegenden Kisten schmückten.

Allem Fortschritt zum Trotz sahen sich die Flugzeugbauer bislang außerstande, Turbulenzen, Verwirbelungen oder Druckstößen der Luft so zu begegnen wie es jeder schnöde Spatz fertig bringt. Die Folge ist: Ob Jet oder Segelflieger – alle Starrflügler vergeuden wegen mangelnder Anpassungsfähigkeit ihrer Tragflächen viel Energie. Auch die veränderten aerodynamischen Verhältnisse des Flugzeugs, die der Gewichtsverlust während des Flugs durch den verbrauchten Treibstoff bewirkt, konnten mit herkömmlicher Technik nicht ausgeglichen werden und ließen sich schon gar nicht zur weiteren Treibstoffeinsparung nutzen.

„Als wir bei der Entwicklung des A340 vorschlugen, einen anpassungsfähigen Flügel zu bauen, erklärte uns die Fachwelt für verrückt”, sagt Reinhard Hilbig, Dasa-Projektleiter für Flugphysik in Bremen. Auch das Management war keineswegs begeistert: Zu teuer, zu ungewiß erschien das Experiment den Wirtschaftslenkern. Und obendrein erwies sich schnell, daß mit dem adaptiven Flügel völlig neue Wege beschritten werden müßten.

Denn anders als bei der bisherigen elektromechanischen Steuerung von Flügelklappen und Spoilern sind beim ADIF Stellelemente erforderlich, die Konstrukteuren im Hinblick auf Bauraum, Gewicht und Stellkräfte immer noch zu schaffen machen. Die Erforschung der dafür nötigen Materialien und die Entwicklung von Steuerungen, die später einmal sogar ohne Zufuhr von Fremdenergie arbeiten sollen, erfordert bis heute eine intensive Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Technikern. Das bedeutet Reibungen. „Viele Praktiker halten unsere Arbeit für Spinnerei”, gibt Prof. Elmar Breitbach freimütig zu. Er leitet als Direktor des DLR-Instituts für Strukturmechanik die Forschung und Entwicklung selbstanpassender Systeme.

Nicht besser ergeht es Willi Martin bei der Daimler-Benz-Forschung in München, Leiter des ADIF-Teams zur Erkundung steuerbarer Strukturveränderungen bei Materialien: „Ein Tragflügel mit selbstanpassender Haut erscheint vielen als reine Sciencefiction.” Dies um so mehr, als Versuche, die Aerodynamik am Airbus A320 durch eine der Haifischhaut nachempfundene Klebefolie zu verbessern, keine aufregenden Erfolge gebracht haben: Zu schnell war der Spareffekt der Folie durch Wind und Wetter abgeschmirgelt.

Besorgt um den luftfahrttechnischen Standort Deutschland sprach Bundesforschungsminister Jürgen Rüttgers ein Machtwort und verlangte unter Androhung von Subventionskürzungen ein gemeinsames Voranpreschen in Richtung adaptiver Flügel, wie die anpassungsfähige Tragfläche in Fachkreisen heißt.

Anders als Vorstandsvorsitzende, die oft nur noch die nächste Bilanz im Auge haben, erkannte Rüttgers, daß Europas Airbus, von dem in Deutschland Tausende von Arbeitsplätzen abhängen, auch im Kampf gegen den US-Giganten Boeing langfristig nur durch kühne Neuerungen bestehen kann. So wurde der adaptive Flügel zu einem Programm von nationaler Bedeutung – und mit ihm das ganze Gebiet der Adaptronik:

„Selbstanpassenden Systemen”, so Elmar Breitbach, „gehört die Zukunft.” Dabei hat der DLR-Forscher eine enorme Produktpalette im Visier, die weit über Passagierjets hinausgeht:

• • Fahrzeuge, die ohne konventionelle Federung auskommen, weil ihr Fahrwerk aus anpassungsfähigem Material sich in Sekundenbruchteilen auf jede Fahrbahnveränderung einstellt,
• • nahezu lärmfrei rollende Züge,
• • Hubschrauber, deren Rotoren kaum noch zu hören sind,
• • Satelliten, deren Übertragungen beim Übergang von glühender Sonnenhitze in den eiskalten Erdschatten nicht mehr ins Zittern geraten.

Mit optimierten Triebwerken und Gewichtsreduzierungen durch leichtere Materialien läßt sich der Treibstoffverbrauch des Airbus A340 um 31 Prozent senken. „Mit adaptiven Flügeln können wir sogar 36 Prozent schaffen”, erklärt Aerodynamiker Hilbig. „Auf dem Flug von Frankfurt am Main nach Hongkong würde das eine Treibstoffersparnis von 20000 Litern und damit auch eine ungleich bessere Umweltbilanz als heute bedeuten.”

Die Zielrichtung ist eindeutig: Der Treibstoffverbrauch der Flugzeuge soll innerhalb der nächsten 20 Jahre auf die Hälfte der heute üblichen Werte verringert werden. Das dürfte jedoch nur zu erreichen sein, wenn das Konzept des adaptiven Flügels verwirklicht wird.

Heutige Passagierjets fliegen mit Geschwindigkeiten knapp unterhalb der Schallgrenze. An den Tragflächen wird die Luft beschleunigt und überschreitet stellenweise diesen kritischen Wert, wodurch ein Verdichtungsstoß entsteht. Der Stoß vergrößert den Widerstand der Luft. Die Stoßfront wandert – abhängig von den Strömungsbedingungen – während des Fluges auf der Tragfläche hin und her. Mit Hilfe der adaptiven Technik gelingt es jetzt, diesen Widerstand zu verringern:

• • Winzige Löcher in der Flügelnase saugen Luft ab und beruhigen die Strömungen.
• • Eine nur 14 Millimeter große Aufdikkung an der Stelle des Stoßes – von Technikern „Bump” (Beule) genannt – sorgt für die gewünschte Reduzierung des Widerstands. Elektronisch gesteuert wandert diese Aufdickung auf der Tragfläche während des Fluges automatisch dorthin, wo sich die Stoßfront befindet.
• • Eine flexible Flügelhinterkante trägt der veränderten Aerodynamik des Flugzeuges Rechnung, die durch den Treibstoffverbrauch entsteht, der das Fluggewicht laufend verringert. Durch Anpassung der Flügelhinterkante läßt sich der Luftwiderstand deutlich verringern und somit viel Treibstoff einsparen.

Zunächst gilt es, Materialien zu finden, die diese Anforderungen erfüllen können. Favorisiert werden derzeit die sogenannten Gedächtnismetalle: Legierungen, die abhängig von der Temperatur bestimmte „eingeprägte” Formen annehmen können. Vielversprechend sind hier vor allem Nickel-Titan-Legierungen, aber auch neue Keramiken und bestimmte Kunststoffe.

Wandernde Bumps sind möglich, indem Gedächtnismetalle im Flügel integriert werden. Diese Memorymetalle finden ihren Platz zwischen der steifen Flügelstruktur und einer darüberliegenden – elastischen – Oberhaut. Empfindliche Sensoren registrieren die Stoßfront des Luftwiderstands und steuern somit indirekt auch die Aufwölbung des adaptiven Flügels.

Daneben können die Tragflächen-Hinterkanten während des Flugs aerodynamisch modifiziert werden. Durch diese Wandlungsfähigkeit ist es möglich, verschiedene Flugzeuge einer Flotte mit einem gemeinsamen Flügeltyp auszurüsten – das spart Herstellungskosten.

Kosten spart ADIF auch im Landeanflug: Warteschleifen werden vermieden, weil diese Passagierjets für ihren Landeanflug einen größeren Geschwindigsbereich zur Verfügung haben und deshalb flexibler auf die Anweisungen des Towers reagieren können. Schon bei der Entwicklung spart die ADIF-Technik Millionen.

Oft stellt sich erst bei der Erprobung eines neuen Flugzeugmusters heraus, daß die Flügel aerodynamisch nachgebessert werden müssen. „Dann”, so Reinhard Hilbig, „sind teure Umrüstungen fällig. Mit einem selbstanpassenden Flügel kann das nicht passieren.”

Die innovative Technologie findet allerdings nicht überall Gefallen. So machen die Briten – im Europa-Verbund der Airbus-Industrie für die Tragflächen zuständig – keine Anstalten, künftigen Airbus-Generationen diese zukunftsweisende Technik zu verpassen.

Reinhard Hilbig ist dennoch zuversichtlich: „Demnächst werden die Aufgaben im Airbus-Verbund neu verteilt. Dann wird sich British Aerospace wohl anderen Dingen widmen dürfen.” Die Bremer, durch die Entlassungen bei Vulkan, und Dasa gebeutelt, hören es sicher mit Freuden.

Mit freundlicher Genehmigung von: bild der wissenschaft, 1996, H. 12.

Erscheint in:

Aerodynamik; Flugzeug