Segelflugzeuge nutzen bereits laminare Flügel. Doch die Technik auf moderne Passagierflugzeuge zu übertragen, ist wegen der höheren Fluggeschwindigkeiten und Anforderungen an die Systemzuverlässigkeit deutlich anspruchsvoller. Auch das Schwingungsverhalten der Flügel wird durch die laminare Umströmung beeinflusst – wie genau wurde aber bislangnach Angaben des DLR noch nicht in der Luft erforscht. Um einen sicheren Betrieb dieser neuen Technologie zu ermöglichen, erforschen die Wissenschaftler des DLR-Instituts für Aeroelastik aus Göttingen deshalb zunächst in verschiedenen Windkanal-Versuchen mit einem zwei-dimensionalen laminaren Flügelprofil, wie sich die beobachteten Effekte einer typischen laminaren Umströmung sicher auf einen Flugzeugflügel übertragen lassen.
Als laminar wird eine gleichmäßige Strömung am Flügel mit geringem Widerstand bezeichnet. Die ungeordnete Luftbewegung mit einem großen Widerstand nennt man dagegen turbulent. Oberfläche und Form der Flügel beeinflussen dabei das Umströmungsverhalten. Bei normalen Flügeln kommt es bereits an der Vorderkante zu Verwirbelungen, die den Auftrieb beeinträchtigen. Ein geringerer Luftwiderstand reduziert also den Treibstoffverbrauch und die Schadstoff-Emission.
In der DLR-Versuchsreihe wurde das Modell zunächst im Transsonischen Windkanal Göttingen unter Flugbedingungen untersucht, die in der Nähe der Schallgeschwindigkeit liegen. Mit diesen Messungen konnten überhaupt erst numerische Werkzeuge für die Vorhersage des laminaren Strömungsverhaltens entwickelt und geprüft werden.
Untersuchung in mehreren Windkanälen
Im nächsten Schritt wurde das Flügelprofil im kryogenen Windkanal in Köln realistischen Reynolds-Zahlen ausgesetzt. Diese geben Auskunft darüber, wie gut die Luft über ein Profil strömt und wann der Übergang von laminaren zu turbulenten Luftströmen auftritt. Dafür wurde der Windkanal mit Stickstoff geflutet und auf -173 Grad heruntergekühlt. Die kalte, zäh gemachte Luft umströmt den Flügelquerschnitt; Sensoren messen, wie sich der Druck verteilt und welche Schwingungen auftreten. "Ohne die beiden Kenngrößen Geschwindigkeit und Reynolds-Zahl können wir keine verlässlichen Aussagen über die aeroelastische Stabilität des Flügelprofils treffen", sagt Dr. Holger Mai vom DLR-Institut für Aeroelastik. "Durch die verschiedenen Windkanal-Versuche können wir die Effekte der laminaren Strömung sehr sauber beobachten und von anderen störenden Effekten trennen."
In einem letzten Schritt soll das Flügelmodell auf realistische Flugtauglichkeit geprüft werden: Der Europäische Transschall-Windkanal in Köln vereint beide Vorteile der bisherigen Windkanäle. In ihm können sowohl realistische Geschwindigkeiten als auch realistische Reynolds-Zahlen produziert werden. Durch die Kombination beider Effekte lassen sich echte Flugzeugkonfigurationen testen und die erstellten numerischen Modelle validieren. Nach Abschluss dieses Schrittes werden die Ergebnisse ausgewertet. "Dann können wir eine Aussage treffen, ob laminare Flügelstrukturen tatsächlich anders schwingen als herkömmliche", so Dr. Mai.
