Die NASA hat im Januar ein skaliertes Modell einer Laminarflügels an einer ihrer F-15B Hochgeschwindigkeitsrolltests unterzogen. Der sogenannte "Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow"-Demonstrator (CATNLF, auf Deutsch: Querströmungsgedämpfte natürliche Laminarströmung) erreichte dabei Geschwindigkeiten von bis zu 232 km/h. Die Tests sind ein wichtiger Meilenstein vor Beginn der Flugerprobung.
Das CATNLF-Flügelmodell ist 91 Zentimeter lang und unten am Rumpf der F-15B vertikal installiert. Das ermögliche es, das Flügeldesing an einem bestehenden Flugzeug im Flug zu testen, so die NASA. Es sei günstiger, das Design so zu untersuchen, als den Flügel eines Testflugzeugs mit einem originalgroßen CATNLF-Flügel zu ersetzen oder gar einen eigenen Flugdemonstrator dafür zu bauen.
Der CATNLF-Flügeldemonstrator wurde für Testzwecke am Bauch einer F-15B der NASA montiert.
Großes Potenzial für Treibstoffeinsparungen
Berechnungen der NASA aus den Jahren 2014 bis 2017 kommen zu dem Schluss, dass ein solcher CATLNF-Flügel bei einem Langstreckenflugzeug wie einer Boeing 777 jährlich bis zu zehn Prozent Treibstoff sparen können. "Selbst kleine Effizienzsteigerungen können zu einer erheblichen Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der Emissionen von Verkehrsflugzeugen führen", so Mike Frederick, leitender Forscher für CATNLF am Armstrong Flight Research Center der NASA in Edwards, Kalifornien.
Der Schlüssel des CATLNF-Designs ist eine Reduzierung des Reibungswiderstands, indem die laminare Strömung innerhalb der Grenzschicht des Flügels verlängert wird. Die Grenzschicht ist eine dünne Luftschicht direkt über der Flügeloberfläche, in der die Strömungsgeschwindigkeit der Luft von null (direkt an der Oberfläche) bis zur freien Außenströmung ansteigt. Ist die Strömung laminar, das heißt geordnet und gleichmäßig, wird die Reibung verringert. Heutige Verkehrsflugzeuge verfügen im Reiseflug über keine nennenswerte Laminarströmung, die Luft verwirbelt innerhalb der Grenzschicht turbulent, was die Reibung und damit den Widerstand erhöht.
Laminarflügel für Verkehrsjets bisher schwer umsetzbar
An Segelflugzeugen kommen Laminarflügel bereits lange zum Einsatz, nicht aber an Verkehrsflugzeugen. "Die Laminarströmungstechnologie wird seit vielen Jahrzehnten in Flugzeugen untersucht und eingesetzt, um den Luftwiderstand zu verringern, aber ihre Anwendung war bisher begrenzt", sagt Michelle Banchy, Hauptforscherin für CATNLF in Langley. Grund dafür sei das aerodynamische Phänomen der Querströmung an gepfeilten Tragflächen, das die Laminarströmung vorzeitig beenden kann. Die Querströmung bildet sich auf der Flügeloberseite in Richtung Flügelspitze und führt dazu, dass die Grenzschicht im Außenbereich des Flügels dicker wird und leichter zur Ablösung neigt.
Die NASA hat das CATNLF-Design 2018 in einem Windkanal in Langley getestet, dabei wurde eine verlängerte Laminarströmung bestätigt. "Nach den positiven Ergebnissen im Windkanaltest sah die NASA genug Potenzial in dieser Technologie, um mit Flugtests fortzufahren", so Banchy. "Flugtests ermöglichen es uns, das Modell zu vergrößern und in Luft zu fliegen, die weniger Turbulenzen aufweist als eine Windkanalumgebung, was für die Untersuchung der laminaren Strömung von großem Vorteil ist."
Technologie auch für Überschalljets?
Die Flugtests sollen in den kommenden Wochen beginnen. Dabei sollen zunächst die Leistung und die Eigenschaften des Flügeldesigns im Flug untersucht werden. Die NASA sieht aber bereits großes Potenzial für die nächste Verkehrsflugzeug-Generation. Der Fokus liegt aktuell auf einer Implementierung an kommerziellen Flugzeugen, die mit Unterschallgeschwindigkeit fliegen. Eines Tages könnte die Technologie aber auch auf Überschallflugzeuge übertragen werden.
