Flügel, die sich an verschiedene Flugzustände und Geschwindigkeiten anpassen, sind seit langem Gegenstand der Forschung. Die Tragflächen heutiger Verkehrsjets sind nur für den Reiseflug optimiert. Eine geringe Wölbung und eine große Flächenbelastung sollen für möglichst wenig Luftwiderstand bei hohen Geschwindigkeiten sorgen. Für den Langsamflug bei Start und Landung sind Auftriebshilfen an Vorder- und Hinterkanten nötig.
Erste Flugversuche fanden bereits statt
Die Lösung könnten adaptive Flügel sein, wie sie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Forschungsprojekt morphAIR untersucht. Dafür haben die Forscher das unbemannte Versuchsflugzeug PROTEUS sowohl mit einem konventionellen als auch mit einem sich verändernden Flügelsatz, beide aus Faserverbundmaterialien, ausgestattet. In ersten Flugversuchen am Nationalen Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtsysteme in Cochstedt wurden die morphenden Flügel bereits erprobt, wie das DLR Mitte April mitteilte. Dabei ging es unter anderem um die grundlegende Demonstration der Flugfähigkeit und der Systemintegration.
Die adaptiven Flügel verfügen über einen formvariablen Hinterkantenbereich. Erreicht wird das durch eine hyperelastische Hinterkantenverbindung (hyperelastic trailing edge morphing; kurz HyTEM), die für eine spalt- und stufenfreie Verformung des Flügels sorgt. "Das HyTEM-Konzept ersetzt klassische Klappen und Querruder durch ein intelligentes System mit mehreren kleinen und über die Flügelspannweite verteilten Antrieben. Diese können die Profile an zehn Stellen präzise anpassen, ohne dass Lücken zwischen den Bereichen entstehen. Durch die kontinuierliche Form sinkt der Profilwiderstand. Zudem kann der Auftrieb, der induzierte Luftwiderstand und die Steuerung des Flugzeugs gezielt beeinflusst werden, was einen großen Vorteil für die Aerodynamik und Flugmechanik darstellt", erklärt der Projektleiter Martin Radestock vom DLR-Institut für Systemleichtbau.
Lernende Flugregelung
Ein Vorteil adaptiver Flügel ist also eine höhere Leistungsfähigkeit. Nach Angaben des DRL verspricht die Technologie zudem mehr Sicherheit, da Steuerfunktionen über den gesamten Flügel verteilt werden könnten.
Für morphAir hat das DLR-Institut für Flugsystemtechnik eine KI-gestützte Flugregelung entwickelt, die auf die besonderen Bewegungsmöglichkeiten des formveränderlichen Flügels ausgelegt ist. Der lernfähige Algorithmus erkenne während des Flugs, wenn sich das tatsächliche Verhalten vom zuvor trainierten Modell unterscheidet, so das DLR. In solchen Fällen passe er seine internen Modelle kontinuierlich an. Bereits im Training würden zudem gezielt Schadensfälle und Ausfälle einzelner Steuerflächen simuliert. Dadurch lerne der Algorithmus, solche Veränderungen im Flug zu erkennen und die verbleibenden Aktuatoren so zu steuern, dass das Flugverhalten möglichst stabil bleibt. Im Unterschied zu klassischen Flugregelungen kann der lernfähige Ansatz nach Angaben des DLR die vielen verteilten Aktuatoren optimal aufeinander abstimmen.
Weitere Flugtests geplant
Wichtiger Teil der Flugregelung ist eine Art "Gefühl" für das aktuelle Strömungsfeld. Das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik hat für das Versuchsflugzeug PROTEUS eine entsprechende Fähigkeit entwickelt: PROTEUS kann aus wenigen Messdaten die Oberflächendruckverteilung rekonstruieren und mit dem erwarteten Zustand vergleichen. So lassen sich Abweichungen automatisch und lokal erkennen und als Störungen deuten.
Die morphenden Flügel sollen nach den ersten erfolgreichen Flugversuchen weiter untersucht werden, so das DLR. Noch dieses Jahr soll eine Flugtestskampagne mit PROTEUS durchgeführt werden, um nachzuweisen, dass die Technologie skalierbar ist. Die Ergebnisse werden im Projekt UAdapt (Unmanned Aircraft Wing Adaption) weiterentwickelt.
