13.02.2014, 14:30 Uhr | 0 |

Tragflächenforschung im Windkanal Langsamer Landeanflug soll Lärm in Wohngebieten reduzieren

Bewohner in Fluggebieten sollen zukünftig ruhiger schlafen können. Forscher nehmen derzeit das Modell eines Airbus A320 in einem Kölner Windkanal unter die Lupe. Sie wollen die Grenzen minimaler Landeanfluggeschwindigkeit ausloten.

Die Tragflächen des Forschungsflugzeugs Astra
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Die Tragflächen des DLR-Forschungsflugzeugs Atra sind mit Sensoren ausgestattet, die bei halsbrecherischen Überziehmanövern aerodynamische Messwerte liefern. Mit den entsprechenden Daten konnten die Forscher schließlich ein Windkanal-Modell bauen. 

Foto: DLR

Flugzeuge verursachen bei Start und Landung Lärm, der von betroffenen Anwohnern oft als unerträglich erlebt wird. Einen Schritt in Richtung Entschärfung dieses Problems gehen jetzt Forscher vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit Airbus, der TU Berlin und dem Europäischen Transsonischen Windkanal (ETW). Der Forscherverbund will mit dem Dreischritt aus Flugversuchen, Windkanalversuchen und Computersimulationen die Grenzen der verlangsamten Geschwindigkeit bei Landeanflügen ausloten.

Hochauftriebssystem bestimmt Grenze der Anfluggeschwindigkeit 

Langsamere und steilere Anflüge an die Landebahn führen zu weniger Lärm. Die Landebahnen lassen sich zudem kürzer dimensionieren. Für die Akzeptanz in der Bevölkerung sind das wesentliche Argumente. Die Grenzen dieser verlangsamten steileren Anflüge werden jedoch durch das sogenannte Hochauftriebssystem mit seinen ausfahrbaren Landeklappen an den Tragflächen bestimmt.

Um sich diesen Grenzen zu nähern, haben die Forscher einen enormen Aufwand betrieben. Zunächst galt es, ein Windkanalmodell eines A320 anzufertigen. Dazu gingen Piloten im Juli 2012 während einer dreiwöchigen Flugversuchskampagne bei Airbus in Toulouse mit dem DLR-Forschungsflugzeug A320 Atra insgesamt zehnmal in die Luft. Das Forschungsflugzeug wurde von den Wissenschaftlern in Zusammenarbeit mit der TU Berlin mit mehreren hundert Sensoren ausgestattet, die über die gesamte Außenhaut verteilt waren. 

Halsbrecherische Überziehmanöver über Toulouse

Es waren fliegerische Grenzerfahrungen für die Testpiloten, da sie in sogenannten Überziehmanövern immer wieder die aerodynamischen Grenzen des A320 im Landeanflug tangierten. Die dabei gesammelten Daten waren die Grundlage für ein eigens angefertigtes Halbmodell des A320, das sogar unter extremen Kältebedingungen getestet werden kann. Mit diesem kryotauglichen Modell zogen die Forscher in den Europäischen Transsonischen Windkanal in Köln.

Anfang Februar fanden im Rahmen des Projekts Hinva, das steht für High Lift Inflight Validation, bisher einmalige kryogene Windkanalversuche bei Tiefsttemperaturen statt. „Hinva ist für die Weiterentwicklung heutiger Hochauftriebstechnologien ein weltweit einmaliges Forschungsprojekt“, erklärt Professor Rolf Henke, DLR-Vorstand für den Betrieb der Luftfahrt. 

Im Windkanal herrscht 3,3-facher Atmosphärendruck

Für eine möglichst genaue Nachbildung der realen Strömungsverhältnisse eines Verkehrsflugzeuges erhöhten die Forscher den Druck im Inneren des Europäischen Transsonischen Windkanals (ETW) auf 3,3-fachen Atmosphärendruck und kühlten das Strömungsgas Stickstoff auf minus 160 Grad Celsius.

"1281 Tonnen flüssigen Stickstoffs haben wir für die Hinva-Versuchsläufe in den ETW zur Verdampfung eingeleitet", berichtet der Leiter des ETW, Guido Dietz. "Rund 30 Prozent unserer Tests konzentrieren sich inzwischen auf Hochauftriebsuntersuchungen bei typischen Start- und Landegeschwindigkeiten. Auch bei diesen Bedingungen liefert der ETW flugrelevante Daten, die in konventionellen Windkanälen prinzipiell nicht zu erzielen sind."

Laser bestimmen Grenzen der Hochauftriebsleistung

In Europas einzigartigen Windkanal an der Ernst-Mach-Straße in Köln werden die Luftfahrzeuge unter wirklichkeitsgetreuen Flugbedingungen getestet. Von großem Interesse sind die Strömungsgeschwindigkeiten an den Tragflächen. Um diese Geschwindigkeiten zu bestimmen, kam eine Lasermesstechnik namens PIV, das steht für Particle Image Velocimetry, zum Einsatz.

Mit dieser Technik untersuchten die Forscher Bereiche, an denen es zu Wirbelbildungen und Ablösungen kommt. Dort verläuft die Strömung nicht mehr ideal und es finden komplexe aerodynamische Interferenzen statt, die letztlich die Hochauftriebsleistung begrenzen.

"Darin liegt einer der Schlüssel zum besseren Verständnis des Auftriebszusammenbruchs“, sagt Hinva-Projektleiter Ralf Rudnik vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. Mit der PIV werden erstmalig geeignete experimentelle Strömungsfelddaten im Langsamflugbereich für den direkten Vergleich mit Flugversuchsdaten und numerischen Berechnungen bereitgestellt.

Die Computersimulationen solch komplexer aerodynamischer Strömungsprozesse liefern zwar gute Daten, bekommen ihren Wert aber erst durch die Gegenüberstellung mit experimentell ermittelten Daten. Die Leistungsfähigkeit eines Hochauftriebsystems ist ein komplexes Wechselspiel der eigentlichen Landeklappen und der Spalte, die sich zwischen Vorflügel, festem Hauptflügel und Hinterkantenklappe öffnen.

Im größten Rechenzentrum für die Luftfahrt in Europa, dem Center for Computer Applications in Aerospace Science and Engineering, simulieren die Wissenschaftler dieses komplexe Wechselspiel. „Für eine weitere Verbesserung der Modelle sind reale Strömungsdaten aus Flug- und Windkanalversuchen unerlässlich“, sagt der Leiter des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig, Prof. Cord-Christian Russow.

Im Herbst geht die DLR-Atra wieder in die Luft

Im Herbst 2014 wird das Forschungsflugzeug DLR Atra wieder abheben, um weitere Daten aus realen Langsam-Anflügen zu sammeln. Und wieder werden die Testpiloten an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit gehen – im Dienste der Wissenschaft und der Reduktion des lästigen Fluglärms.

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Von Detlef Stoller
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