04.06.2020

Eine flexible Haut für Flugzeug-Flügel

Erfolgreiche Tests mit einer künstlichen Haut aus Kautschuk und Glasfaser im Demonstrator.

Ein Teil des Fluglärms entsteht am Flügel. Dort, wo Hoch­auftrieb und Steuer­klappen aufein­ander treffen, gibt es einen abrupten Übergang von den umströmten Trag­flächen auf ein festes Flügel­teil. Aus aero­dynamischen Unter­suchungen ist bekannt, dass solche Übergänge einen Teil des Lärms ausmachen. Kann eine flexible Haut zwischen Flügel und Klappen­system den Lärm an dieser Stelle mindern? Der Antwort auf diese Frage gingen die Wissen­schaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum­fahrt gemeinsam mit der Invent GmbH und der TU München im Projekt FlexMat nach.

Abb.: Flügelmodell mit Droop Nose und integriertem Hautübergang. (Bild: DLR;...
Abb.: Flügelmodell mit Droop Nose und integriertem Hautübergang. (Bild: DLR; CC-BY 3.0)

Die Idee klingt recht einfach: Direkte Über­gänge zwischen dem festen Flügel­teil und dem bewegten System der Steuer­klappen oder des Höhen­ruders sollten vermieden werden. Gelingen könnte dies durch eine flexible Haut zwischen Flügel und Klappen­systemen. Schwieriger wird es dann aber schon bei den Anforde­rungen an solch eine Haut: Sie muss zwar extreme Luft­lasten aufnehmen können, darf aber gleich­zeitig nicht zu steif sein. Denn sonst müssten die Klappen­systeme zusätz­liche Arbeit leisten. „Auch in Bezug auf zukünftige Laminar­flügel, also einen Flügel, der möglichst ohne Turbu­lenzen von der Luft umströmt werden kann, wären kontinu­ier­liche Über­gänge zwischen Klappen­systemen und den Rippen von großem Vorteil“, erklärt Martin Radestock vom DLR-Institut für Faser­verbund­leichtbau und Adaptronik in Braun­schweig. „So könnten aero­dyna­mische Turbu­lenzen reduziert und Laminar­haltung gewähr­leistet werden.“ Laminar­flügel ziehen unter anderem auch einen geringeren Luft­wider­stand nach sich, was immer auch Vorteile für die Umwelt bringt.

Als Grundlage für die Forschungen in FlexMat diente eine Flugzeug­konfigu­ration, die an einen Airbus A320 angelehnt ist. „Wir konzen­trierten uns auf den Flügel­außen­bereich“, erklärt Radestock. „Dabei wurde der Vorflügel an der Vorder­kante durch eine form­variable Flügel­vorder­kante, genannt Droop Nose, ersetzt, die bereits 2007 bei uns im Institut entwickelt und erforscht wurde. Daneben instal­lierten wir unsere Über­gangs­haut.“ Am Quer­ruder, an der Flügel­rück­seite, wurde ein Über­gangs­dreieck der TU München getestet.

Die Spannweite der vom DLR getesteten Über­gangs­haut betrug insgesamt einen Meter. Sie besteht aus einem Material­mix aus Synthetik­kautschuk – Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, kurz EPDM – und Glas­faser­verbund. Die Grund­lage der Haut bildet der Kautschuk, in den die Forscher die Glas­faser­platten in unter­schied­lichen Abständen zuein­ander, sowohl an der Außen- als auch der Innen­seite, einge­bracht haben. Aufgrund des weichen und elas­tischen Kautschuks und der Positio­nierung der steifen Glas­faser­streifen lässt sich die Verformung der Übergangs­haut einstellen. Dabei achteten die Wissen­schaftler darauf, lokale Dehnungs­spitzen möglichst minimal zu halten, damit sich Glas­faser­verbunde und Kautschuk nicht vonein­ander ablösten.

„Abschließende Tests in einem Demonstrator zeigten, dass die unter­suchte Flügel­haut sehr strapazier­fähig ist und weit verformt werden kann“, so Radestock. „Lediglich auf die Lackierung muss im Fall einer starken Verformung geachtet werden, damit diese nicht reißt.“ Der Einsatz einer flexiblen Haut an der Flügel­vorder­kante ist also möglich. Um zu über­prüfen, wieviel Lärm und Luft­wider­stand so wirklich reduziert werden können und wie hoch die maximale Belastungs­grenze der künst­lichen Haut liegt, sind jetzt weitere Versuche erforderlich.

DLR

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