14.04.2016
Erschienen in: 04/ 2016 FLUG REVUE

Grüner fliegenNASA-Luftfahrtforschung

Von besseren Triebwerken bis hin zu neuen Flugzeugformen: Die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA hat in den vergangenen sechs Jahren Technologien entwickelt, die die Luftfahrt sauberer, leiser und sparsamer machen sollen.

Auch wenn die meisten Menschen die NASA (National Aeronautics and Space Administration) eher mit Raumfahrt verbinden, ist die US-Behörde in der Luftfahrtforschung sehr aktiv. Eines der wohl ehrgeizigsten Projekte der vergangenen Jahre nennt sich „Environmentally Responsible Aviation“ (ERA, deutsch: umweltverantwortliche Luftfahrt). Von 2009 bis Ende 2015 haben mehr als 130 Forscher acht Technologiedemonstratoren entwickelt und getestet, die künftige Flugzeuge sauberer, leiser und sparsamer machen sollen. „Für jeden Demonstrator hatten wir Industriepartner an Bord“, erklärt Fay Collier, ERA-Projektmanager bei der NASA. Die Entwicklungen könnten ab 2025 ihren Weg in moderne Flugzeuge finden, so die Hoffnung. „Natürlich bedarf es in allen Fällen noch viel mehr Investitionen der Industrie, um die Technologien zur Produktreife zu bringen“, sagt Collier.

Unter den Ergebnissen, die die NASA Anfang des Jahres präsentierte, finden sich einige radikale Ideen wie beispielsweise der Blended Wing Body (BWB) – ein Flugzeug, dessen Rumpf und Flügel nahtlos ineinander übergehen und dessen Jettriebwerke oben am Heck montiert sind. Doch das Konzept, das sich durch einen stärkeren Auftrieb auszeichnet, ist nicht neu. Zwischen 2007 – also noch vor Beginn des ERA-Projekts – und 2013 wurden am Dryden Flight Research Center in Edwards, Kalifornien, Flugversuche mit verschiedenen Versionen der von Boeing und NASA entwickelten unbemannten X-48 durchgeführt. Bei weiteren Tests eines Modells im Unterschall-Windkanal des Langley Research Center in Hampton, Virginia, untersuchten Forscher die Eigenschaften im Langsamflug sowie die optimale Platzierung der Triebwerke, um Treibstoffverbrauch und Lärm zu reduzieren. Nach Angaben von Boeing geht die Forschung am BWB zunächst mit Windkanaltests weiter. Flugtests seien aber künftig möglich, um beispielsweise Kurzstart- und Kurzlandefähigkeiten zu zeigen. „Wir glauben, dass das Konzept in den kommenden 15 bis 20 Jahren zu einem Unterschalltransporter für militärische Anwendungen entwickelt werden könnte“, sagt Norm Princen, leitender Ingenieur in der Forschungs- und Technologieabteilung bei Boeing. Auch die NASA will für die Weiterentwicklung von Experimentalflugzeugen, darunter der BWB, eine Budgeterhöhung erwirken.

Aktive Strömungskontrolle

Doch nicht nur ein komplett neues Flugzeugdesign soll den Treibstoffverbrauch verringern. Zusammen mit Boeing hat die NASA kleine, ins Seitenleitwerk integrierte Luftdüsen zur aktiven Strömungskontrolle untersucht. Die sogenannten Sweeping Jets (schwingende Düsen) werden direkt vor dem Seitenruder angebracht. Sie blasen Druckluft aus und schwenken hin und her, um eine möglichst große Fläche abzudecken. So wird die Umströmung der Ruderfläche verbessert. Dadurch könnten Leitwerke künftig rund 17 Prozent kleiner ausfallen, was Gewicht spart und den Luftwiderstand reduziert. Sechs Testflüge im April 2015 mit Boeings ecoDemonstrator, einer zu einem fliegenden Labor umgebauten 757, bestätigten im Wesentlichen die positiven Ergebnisse der vorangehenden Windkanaltests. „Durch diese Technologie könnte sich das Flugzeugdesign wesentlich verändern“, sagt Ed Whalen, Projektmanager bei Boeing.

Verstellbare Flügel

Während bei der aktiven Strömungskontrolle durch die Forschung bisher lediglich gezeigt wurde, dass das Grundkonzept funktioniert, könnte eine andere Technologie schon bald ihren Weg in die Business Aviation und in die kommerzielle Luftfahrt finden: Sie betrifft verstellbare Flügel, die ihr Profil im Flug verändern. Das Projekt „Adaptive Compliant Trailing Edge“ (ACTE, anpassbare, nachgebende Hinterkante) wurde vom US-Unternehmen FlexSys designt und hergestellt und bei 22 Forschungsflügen gemeinsam mit der NASA und dem Forschungslabor der US Air Force getestet.

Dazu wurden die herkömmlichen, rund sechs Meter langen Aluminium-Flaps einer Gulfstream III durch biegbare Oberflächen aus Verbundwerkstoff mit integrierten Steuerelementen ersetzt. Diese neuen Hinterkanten haben den Vorteil, dass sich, anders als bei bisherigen Landeklappen, beim Ausfahren keine Lücken bilden. Dadurch sinken Luftwiderstand und Lärmemissionen. Die patentierte ACTE ist nach Angaben von FlexSys nicht nur für neue Flugzeuge geeignet, sondern auch nachrüstbar. Im November 2015 wurde ein Joint Venture mit Aviation Partners FlexSys gegründet, das ACTE vermarkten will.

Triebwerke

Doch auch bestehende Technologien haben noch Verbesserungspotenzial. Allein im Triebwerksbereich widmete sich ERA drei Projekten, die auf einen geringeren Treibstoffverbrauch, weniger Lärm und niedrigeren Schadstoffausstoß abzielen. Zusammen mit Pratt & Whitney forschte die NASA an einer zweiten Generation des Getriebefans mit mehr Schub. Ein größerer Bläserdurchmesser soll die Vortriebseffizienz erhöhen und den Treibstoffverbrauch um rund 15 Prozent senken. Damit eine größere Triebwerksgondel die potenzielle Treibstoffersparnis nicht zunichte macht, muss ein Gehäuse mit reduzierter Länge zum Einsatz kommen. Das wiederum ist nachteilig für die Lärmemissionen. Deshalb wurden zwei Konzepte zur akustischen Innendämmung getestet: eine Gehäusestruktur über den Rotorspitzen des Fans und zylindrische, gefaltete Teile an den Statorschaufeln. Beide sollen Druckfluktuation an der Quelle absorbieren, bevor sie als Schall aus dem Triebwerk austreten.

Auch am Brennkammer-Design haben NASA-Forscher gemeinsam mit Pratt & Whitney getüftelt, um den Stickoxid-Ausstoß zu reduzieren. Die axial gestufte Brennkammer in Ringbauform hat durch eine Pilot- und mehrere Haupteinspritzdüsen verschiedene Verbrennungszonen für niedrige und hohe Leistung. Über die gesamte Länge der Brennkammer soll so das Kerosin-Luft-Gemisch mager bleiben – eine notwendige Voraussetzung, damit möglichst wenig Stickoxide entstehen. Insgesamt wurde bei Tests eine Reduzierung der Schadstoffe um fast 80 Prozent erreicht.

Mit GE Aviation arbeitete die NASA an einer Verbesserung der vorderen Stufen eines Hochdruckverdichters, um die thermische Effizienz und das Gesamtdruckverhältnis im Kerntriebwerk zu erhöhen. Dadurch könnten künftige Triebwerke 2,5 Prozent Treibstoff einsparen. Die Erkenntnisse sind noch nicht in die Entwicklung des neuen GE9X für die Boeing 777X eingeflossen, da sie im vergangenen Sommer abgeschlossen wurde. Doch nach Angaben von GE sei die Forschung im Rahmen von ERA nützlich für die Weiterentwicklung des Antriebs und für künftige Triebwerkstechnologie-Programme. Auch nach Ansicht der NASA lohnt es sich, die ERA-Technologien weiterzuentwickeln: Sie hätten das Potenzial, den Treibstoffverbrauch zu halbieren, die Luftverschmutzung um 75 Prozent und die Lärmemissionen auf lediglich ein Achtel des heutigen Niveaus zu reduzieren. Allein US-amerikanische Fluggesellschaften könnten nach Schätzungen zwischen 2025 und 2050 rund 255 Milliarden Dollar einsparen. Doch allem Optimismus zum Trotz stellt Fay Collier klar: „Das ist eher ein Was-wäre-wenn-Szenario als eine Vorhersage. Letztlich bleibt es die Entscheidung der Industrie, wann der Transfer dieser neuen Technologien stattfindet.“

Weitere ERA-Projekte

fr 04-2016 NASA Luftfahrtforschung (11)

Die Fan-Architektur, die unter ERA getestet wurde, ging im PW1500G auf. Foto und Copyright: NASA  

 

Neben Forschung am Blended Wing Body, einem System zur aktiven Strömungskontrolle, verstellbaren Flügeln und Triebwerksverbesserungen beschäftigte sich die NASA im Rahmen des ERA-Projekts (Envirormental Responsible Aviation) mit weiteren Technologien.

Um große Sektionen aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff (CFK) miteinander zu verbinden, wurde ein neues Verfahren namens Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure (PRSEUS, effiziente, modulare, genähte Struktur mit gezogenen Stäben) angewandt. Dabei werden CFK-Schichten zusammengenäht – mithilfe von Gurten aus Kohlenstofffasergewebe, die mit vorgehärteten Kohlenstofffaserstäben verstärkt werden (siehe Grafik rechts). So könnten Flugzeugkomponenten künftig ohne Niete und Bolzen auskommen. Das spart Gewicht, vermindert das Risiko von Rissen in der Struktur und ermöglicht neue Flugzeugdesigns wie den Blended Wing Body.

Ein neues Software-Design-Tool könnte Ingenieuren schon während der Flugzeugentwicklung dabei helfen, Lärm durch ausgefahrene Landeklappen und Fahrwerke bei Start und Landung zu reduzieren. Auf der Basis von Windkanal- und Flugtests sind Computersimulationen möglich, die akustische Charakteristika vorhersagen. An Boeings ecoDemonstrator wurden fünf verschiedene Beschichtungen ausprobiert, die verhindern sollen, dass Insekten bei Start und Landung an den Flügelvorderkanten kleben bleiben und so den Widerstand erhöhen. Die Tests seien vielversprechend, doch weitere Forschung sei nötig, heißt es bei der NASA.

FLUG REVUE Ausgabe 04/2016

Mehr Infos zu:
Mehr zum Thema:
Ulrike Ebner


Weitere interessante Inhalte
Space Poop Challenge NASA sucht Lösungen für Toilettengang im All

30.11.2016 - Wie könnte es Astronauten auf Langzeitreisen leichter gemacht werden, ihre Notdurft zu verrichten? Die US-Raumfahrtbehörde hat dafür einen Ideenwettbewerb im Internet ausgelobt. … weiter

OSIRIS-REx Asteroiden-Jäger

15.11.2016 - Die NASA-Sonde OSIRIS-REx ist nicht das erste Raumfahrzeug, das auf Tuchfühlung mit einem Asteroiden geht. Aber sie soll mehr Gestein und Staub zurück zur Erde bringen als bisherige Missionen. … weiter

Morphing Wing im Windkanal NASA will den gesamten Flügel verbiegen

04.11.2016 - Seit längerer Zeit versuchen Ingenieure, nahtlos-biegsame Flügel zu konstruieren, die ihre Form ohne Klappen stufenlos verändern können. Jetzt schlagen NASA und MIT einen neuen Ansatz vor: Das … weiter

NASA vergibt Aufträge an vier Unternehmen Grüne Experimentalflugzeuge

11.10.2016 - Die amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA lässt ihre X-Flugzeuge wieder aufleben, um Öko-Technologien zu erproben. Kürzlich wurden weitere Unternehmen mit der Ausarbeitung von Konzepten … weiter

Juno-Sonde Jupiter-Mission der NASA

20.09.2016 - Nach fünf Jahren ist die Juno-Sonde der US-Raumfahrtbehörde NASA am 5. Juli an ihrem Ziel angekommen. Sie soll die Geheimnisse des Jupiter entschlüsseln. Doch die Bedingungen sind eine … weiter


  • Hersteller

    Lade...

  • Typ

    Bitte Hersteller auswählen!

FLUG REVUE 12/2016

FLUG REVUE
12/2016
07.11.2016

Abonnements
Digitalabo
E-Paper
Heft-Archiv
Einzelheft bestellen


- Neue Junkers F 13 fliegt
- Dreiteilung airberlin
- Flughafen Lyon
- Erprobung Pilatus PC-24
- Wonsan Air Festival
- Brennstoffzellen im Alltagstest
- Extra Raumfahrt

aerokurier iPad-App