Lange, dünne Flügel könnten die Zukunft der Passagier-Flugzeuge sein

Allein die Flüge, die von europäischen Flughäfen starteten, waren im Jahr 2023 für 133 Millionen Tonnen an CO2-Emissionen verantwortlich. Das waren etwa 4,5 Prozent der Gesamtemissionen der EU. Bis 2050 sollen die Nettoemissionen der Luftfahrt auf null sinken – weltweit.

Eine Stellschraube auf diesem Weg sind effizientere Flugzeuge. NASA und Boeing hatten dafür jahrelang am Experimentalflugzeug X-66 gearbeitet, dessen verstrebte Tragflächen Energie einsparen sollten. Im April wurde dessen Entwicklung eingestellt. 

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Stattdessen wollte man sich auf Flugzeuge mit langen, dünnen Flügeln konzentrieren. Diese Technologie testen NASA und Boeing unter dem Titel Integrated Adaptive Wing Technology Maturation nun im Windkanal, wie aus einer Aussendung hervorgeht. 

Treibstoffeffizienz als Ziel

„Flügel mit höherer Streckung sind in der Regel treibstoffeffizienter, daher versuchen wir, diesen Vorteil zu nutzen und gleichzeitig die aeroelastische Reaktion zu kontrollieren“, beschreibt NASA-Ingenieurin Jennifer Pinkerton den Forschungsansatz in der Aussendung. Mit der aeroelastischen Reaktion ist ein Flattern der Flügel gemeint.

„Wenn man einen sehr flexiblen Flügel hat, kommt es zu größeren Bewegungen“, sagt Pinkerton. Belastungen durch Böen und Manöver können diese Art des Flügels noch stärker in Bewegung bringen als andere, kürzere und breitere Flügel. 

Flattern verhindern

„Flattern ist eine sehr heftige Wechselwirkung“, so die Ingenieurin. Die Flügelschwingungen können verstärkt werden, wenn die Strömung über einen Flügel mit der Flugzeugstruktur in Wechselwirkung tritt. Dabei werden die Eigenfrequenzen des Flügels angeregt. Potenziell kann das zu einem exponentiellen Wachstum der Flügelschwingungen führen – mit katastrophalen Konsequenzen. In der Vergangenheit sind einzelne Flugzeuge bereits aufgrund von Flatter-Effekten abgestürzt, auch eine Brücke im Bundesstaat Washington stürzte im Jahr 1940 deswegen ein.

„Ein Teil unserer Tests besteht darin, aeroelastische Instabilitäten wie das Flattern für Flugzeugkonzepte zu charakterisieren, damit diese Instabilitäten im tatsächlichen Flug sicher vermieden werden können“, erklärt Pinkerton. Das passiert mithilfe eines Modells im Windkanal.

Tests im Windkanal

Im Transonic Dynamics Tunnel der NASA wurde daher ein der Länge nach halbiertes Modell mit einem einzelnen knapp 4 Meter langen Flügel getestet. An der Hinterkante des Flügels befinden sich 10 sogenannte Kontrolloberflächen. Diese beweglichen Paneele wurden von den Forscherinnen und Forschern so arrangiert, dass Luftströmungen kontrolliert und die Vibrationskräfte minimiert wurden.

Sensoren im Inneren messen sowohl die Kräfte, die auf das Modell einwirkten, als auch dessen Reaktionen. Das Design geht auf den Flügel im Vorgängerprojekt „Subsonic Ultra Green Aircraft Research“ (SUGAR) zurück. Dieses hatte allerdings nur 2 Kontrolloberflächen.

Datenaufbereitung im Gange

Laut NASA sind die Tests im Windkanal mittlerweile abgeschlossen. Derzeit arbeite man gemeinsam mit Boeing an der Analyse und Aufbereitung der Daten.

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Am Ende sollen die Erkenntnisse veröffentlicht werden, damit auch andere Flugzeughersteller daraus lernen können. So soll die nächste Generation an Passagierflugzeugen dem Netto-Null-Ziel etwas näher kommen.