Luftfahrtforschung: X-Flugzeuge der NASA

Alles begann mit der Bell X-1. Am 14. Oktober 1947 ging das Raketenflugzeug der NASA-Vorläuferin NACA in die Geschichte ein – als erstes Flugzeug, das die Schallmauer durchbrach. Es folgten zahlreiche weitere X-Flugzeuge (das X steht für Experimental), mit denen die amerikanische Aeronautik- und Raumfahrtbehörde neue Technologien erforschte, darunter verschiedene Flügelformen, Leitwerksdesigns und Materialien. Wie viele der legendären X-Flugzeuge es bisher gab, kann selbst die NASA nicht genau sagen. Die Nummerierung geht bislang bis 56, allerdings nutzten verschiedene Modelle dieselbe Nummer, und andere wurden nie gebaut.

Nun will die NASA im Rahmen ihrer New-Aviations-Horizons-Initiative im kommenden Jahrzehnt fünf neue bemannte X-Flugzeuge designen, bauen und fliegen lassen. Das Ziel: fortschrittliche ökologische Technologien erforschen und so ihre Anwendung in der kommerziellen Luftfahrt beschleunigen. Der Budgetvorschlag, den 2016 der ehemalige US-Präsident Barack Obama beim Kongress einreichte, sieht 10,7 Milliarden Dollar für die NASA-Luftfahrtforschung vor, davon sollen 3,7 Milliarden Dollar in das ambitionierte Programm fließen. Künftige Airliner sollen nur noch die Hälfte an Treibstoff verbrauchen, 75 Prozent weniger Schadstoffe ausstoßen und deutlich leiser sein als heutige Passagierjets. „Diese Technologien könnten Mitte der 2020er, Anfang der 2030er Jahre in Dienst gehen“, sagt Ed Waggoner, Direktor des Forschungsprogramms für integrierte Luftfahrtsysteme bei der NASA, im Gespräch mit der FLUG REVUE.

Eines der fünf Versuchsflugzeuge ist schon so gut wie gesetzt. „Das ausgereifteste X-Flugzeug momentan ist eine Überschallkonfiguration“, sagt Waggoner. Doch es ist nicht irgendein Überschallflugzeug. „Das technische Ziel ist eine Reduzierung des Überschallknalls auf ein Geräusch, das sich kaum von einem entfernten Donnergrollen in einer Sommernacht oder vom Zuschlagen einer Autotür unterscheidet“, so Wag­goner. Das Konzept des sogenannten Quiet Supersonic Technology X-plane (QueSST / Versuchsflugzeug für leise Überschalltechnologie) von Lockheed Martin befindet sich aktuell in der vorläufigen Designphase, ein Auftrag zum Bau könnte 2018 vergeben werden. Der Erstflug wäre dann Ende 2020 oder Anfang 2021 möglich.

NASA plant drei Unterschall-X

QueSST ist als Vorläufer künftiger Geschäftsreise- oder Passagierjets mit bis zu 100 Sitzplätzen gedacht, soll im Reiseflug eine Geschwindigkeit von Mach 1.4 erreichen und bis auf eine Höhe von etwa 16 800 Metern steigen. Als Antrieb ist derzeit eine Variante des F404 von GE gedacht, das in der F/A-18 Hornet zum Einsatz kommt. Allerdings soll mit alternativen Treibstoffen geflogen werden, um die Effekte auf den Schadstoffausstoß zu untersuchen. Eine spitze Nase, ein schlanker Rumpf, stark nach hinten gepfeilte Deltaflügel und zahlreiche Kontrollflächen sollen dafür sorgen, dass sich die Druckwellen im Überschallbereich nicht zu einer einzigen großen Schockwelle vereinigen, die schließlich zum charakteristischen lauten Doppelknall führt. Angestrebt wird ein wahrgenommener Geräuschpegel von unter 75 Dezibel – rund 20-mal leiser als bei der Concorde. Bei Testflügen sollen Lärmdaten gesammelt werden, um festzustellen, wie Menschen am Boden auf solche Überschallflüge reagieren. „Unser Hauptanliegen ist es, sowohl der nationalen als auch der internationalen Luftfahrtbehörde, FAA und ICAO, Daten zur Verfügung zu stellen und zu zeigen, dass man ein solches Flugzeug mit minimalen Lärmauswirkungen mit Überschall über Land fliegen kann“, erklärt Waggoner.

Zudem plant die NASA drei Unterschall-X-Flugzeuge. Dafür wurden im Oktober 2016 fünf Aufträge an vier US-Unternehmen vergeben. Sie sollen bis März einen verfeinerten technischen Entwurf sowie einen Zeit- und Kostenplan für ihre Versuchsflugzeuge abgeben. Im Lauf des Jahres will die NASA dann eine Angebotsanfrage (Request for Proposal) veröffentlichen, auf die sich die Unternehmen bewerben können. Eine Entscheidung, welche Entwürfe weiterverfolgt werden, könnte 2018 fallen.

Boeing ist mit zwei Konzepten vertreten: dem Transonic Truss-Braced Wing (TTBW) und dem Blended Wing Body (BWB). Auf den ersten Blick sieht der TTBW mit seinem röhrenförmigen Rumpf mit Platz für bis zu 180 Passagiere recht konventionell aus. Allerdings verfügt der Hochdecker über extrem gestreckte Flügel, ähnlich einem Segelflugzeug, die seitlich am Rumpf abgestrebt sind. Durch die Erhöhung des Seitenverhältnisses (Spannweite im Quadrat geteilt durch Flügelfläche) sinkt der auftriebsinduzierte Widerstand, was wiederum sowohl die Betriebskosten als auch den ökologischen Fußabdruck verringern soll. Das jüngste Boeing-Design sieht eine Spannweite von 51,8 Metern und ein Seitenverhältnis von 19,55 vor. Zum Vergleich: Eine Boeing 737-800 hat eine Spannweite von knapp 36 Metern und ein Seitenverhältnis von 9. Das Konzept der langen und schmalen Flügel entstand bereits in den 1950er Jahren beim französischen Flugzeughersteller Hurel-Dubois, setzte sich aber aufgrund des damals höheren Flügelgewichts und des zusätzlichen Widerstands der Verstrebungen nicht durch. Auch Boeing beschäftigt sich damit schon seit 2010 im Rahmen des von der NASA geförderten SUGAR-Projekts (Subsonic Ultra-Green Aircraft Research / Forschung für ein ultra-umweltfreundliches Unterschallflugzeug). Damals konnte bei Windkanaltests gezeigt werden, dass sich Treibstoffeinsparungen von fünf bis zehn Prozent im Vergleich zu konventionellen freitragenden Flügeln ergeben.

Militärtransporter und Frachter

Am BWB forschen NASA und Boeing bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten. Durch die einzigartige Form, bei der Rumpf und Flügel nahtlos ineinander übergehen, erzeugt der BWB mehr Auftrieb als herkömmliche Flugzeugformen. Dadurch soll der Treibstoffverbrauch um bis zu 50 Prozent sinken. Die oben am Heck montierten Triebwerke schirmen zudem den Lärm nach unten ab. Zwischen 2007 und 2013 wurden bereits Flugversuche mit verschiedenen Versionen des unbemannten X-48-Modells durchgeführt.

Im Ende 2015 abgeschlossenen NASA-Programm Environmentally Responsible Aviation (ERA) folgten ausgiebige Windkanaltests, die im September 2016 weitergeführt wurden. Wenn es nach Boeing geht, soll nun ein bemannter Demon-strator folgen. In zehn Jahren könnte laut Boeing der erste BWB als Militärtransporter oder Tankflugzeug im Einsatz sein. „Es gab viele Technologien, bei denen wir mit dem Verteidigungsministerium zusammengearbeitet haben und deren militärische Anwendung das Risiko für die kommerzielle Vermarktung verringerten“, sagt Waggoner.

Ebenfalls zunächst auf den militärischen Markt zielt Lockheed Martins Entwurf eines Hybrid Wing Body (HWB). Außer als Militärtransporter wäre ein solches Flugzeug auch als kommerzieller Frachter denkbar. Der HWB kombiniert Vorderteil und Flügel eines BWB mit einem konventionellen Heck mit T-förmigem Leitwerk. Dadurch soll das Flugzeug mit bestehenden Fracht-Infrastrukturen und auch für das Absetzen von Fallschirmspringern kompatibel sein. Die Antriebe befinden sich oben an den Flügelhinterkanten, dadurch könnten auch Triebwerke mit sehr hohem Nebenstromverhältnis oder Open-Rotor-Motoren zum Einsatz kommen.

Weniger Emissionen durch elektrische Antriebe

Neben etablierten Flugzeugherstellern sind auch die Entwürfe von zwei Newcomern bei der NASA eingegangen: Aurora Flight Sciences aus Manassas und Dzyne Technologies aus Fairfax, beide  im Bundesstaat Virginia ansässig. „Wir sind sehr erfreut, dass sich mehr als die üblichen Verdächtigen beworben haben“, sagt Waggoner. Dzyne Technologies schlägt wie Boeing einen BWB vor, der allerdings für die kommerzielle Nutzung als Regionaljet für 110 bis 130 Passagiere und als Business Jet in Frage kommt. Dafür mussten zunächst einige Design-Hürden überwunden werden. Untersuchungen zeigen, dass eine BWB-Konfiguration gut für große Flugzeuge funktioniert und dort hohe Spriteinsparungen verspricht. Bei kleineren Flugzeugen führt der übliche Querschnitt mit Passagieren oben und Frachtraum und Fahrwerk unten zu einem zu dicken Rumpf, als dass sich noch aerodynamische Vorteile ergäben. Dzyne hat deshalb bei seinem Entwurf das Hauptfahrwerk nach außen verschoben, Gepäck und Fracht werden in den Flügelwurzeln verstaut. Dadurch ergibt sich laut Dzyne neben einer Treibstoffersparnis von rund 20 Prozent eine deutlich größere Kabinenfläche: Die der Business-Jet-Variante wäre dreimal so groß wie beispielsweise die einer Gulfstream G650, als Regionaljet wären es etwa 20 Prozent mehr gegenüber aktuellen Flugzeugen wie die Bombardier CS100. Die Markteinführung des BWB-Business-Jets plant Dzyne für 2025, die größere Version könnte einige Jahre später fliegen.

Aurora geht mit der D8 „Double Bubble“ ins Rennen, einem Konzept für ein Passagierflugzeug der Größe einer Boeing 737, allerdings mit zwei Gängen wie in einem Großraumjet. Aurora, das Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Triebwerkshersteller Pratt & Whitney begannen ihre Arbeiten an der D8 im Jahr 2008 im Rahmen des NASA-Forschungsprogramms N+3. Der Rumpf besteht aus einer Doppelhüllen-Ellipse aus Verbundwerkstoffen und sorgt für viel Auftrieb. Dadurch sind kleinere Tragflächen möglich. Als Antrieb könnten zwei neuartige, in den Rumpf eingebettete Triebwerke verwendet werden. Durch die ins Heck inte-grierte Position reduziert sich theoretisch der Widerstand des Flugzeugs bei gleichzeitiger Erhöhung der Vortriebs­effizienz. Solche „Boundary Layer Ingestion“-Triebwerke und ihre Bläser müssen allerdings mit der ungleichmäßigen, langsameren Einströmung der Grenzschicht klarkommen. Nach Angaben von Aurora hat die D8 das Potenzial für eine Verringerung von Treibstoffverbrauch und Stickoxidausstoß um 71 bzw. 87 Prozent und eine Lärmreduzierung um 60 EPNdB (Effective Perceived Noise in dB / effektiv wahrgenommener Lärm in dB) im Vergleich zu einer Boeing 737-800. Laut Aurora könnten die ersten D8 2027 in Dienst gehen.

Nicht zuletzt beschäftigt sich die NASA auch mit hybrid-elektrischen Luftfahrtantrieben. Das fünfte X-Flugzeug soll konventionelle Turbinentriebwerke mit elektrischen Antrieben kombinieren und in der Mitte der 2020er Jahre fliegen. Um Erfahrungen mit der Integration elektrischer Antriebe zu sammeln, fangen die NASA-Forscher klein an: mit der X-57 „Maxwell“, einer modifizierten Tecnam P2006T, die von 14 Elektromotoren mit Propellern, verteilt über die Flügel, angetrieben wird. Das viersitzige Flugzeug wird derzeit in Kalifornien auf seinen Erstflug vorbereitet, der noch in diesem Jahr stattfinden soll. „Wir wissen, dass noch viel Arbeit bei hybrid-elektrischen Antrieben nötig ist, aber jemand muss damit anfangen, die Hindernisse zu beseitigen“, sagt Waggoner.

FLUG REVUE Ausgabe 03/2017

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