DLR testet Schwingungsverhalten 10.04.2014, 16:00 Uhr

Solar Impulse 2 soll als erstes Solarflugzeug die Welt umrunden

Zwei Schweizer Piloten planen mit dem Solar Impulse 2 die erste Weltumrundung mit einem Solarflugzeug im Jahr 2015. Der Leichtbauflieger mit Solarzellen und Elektropropellern hat eine Spannweite von 72 Metern. Jetzt wurde sein Schwingungsverhalten ausführlich vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) getestet.

2013 flog der erste Motorsolarsegler von Solar Impulse durch die Vereinigten Staaten von Amerika. Hier ist das Flugzeug über San Francisco zu sehen.

2013 flog der erste Motorsolarsegler von Solar Impulse durch die Vereinigten Staaten von Amerika. Hier ist das Flugzeug über San Francisco zu sehen.

Foto: DLR

Es ist ein ehrgeiziger Plan, den sich die Ingenieure und Piloten für nächstes Jahr vorgenommen haben: Mit ihrem Leichtbauflugzeug Solar Impulse 2 wollen sie einmal rund um die Erde fliegen und dabei keinen Tropfen Sprit verbrauchen. Allein die Kraft der Sonne soll das nur rund zweieinhalb Tonnen schwere Leichtgewicht mit der notwendigen Energie versorgen. 

Bevor es im Sommer dieses Jahres erste Testflüge geben wird, wurde das Strukturverhalten des Flugzeuges jetzt ausgiebig vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) untersucht. Damit erhalten die Solarflugpioniere aus der Schweiz wertvolle Informationen über das zukünftige Flugverhalten ihres Prototyps.

2013 überquerte das Solarflugzeug in rund 105 Stunden Nordamerika 

Für ihren Weltrekordversuch kann die Mannschaft von Solar Impulse, bestehend aus 30 Ingenieuren, 25 Technikern und 22 Experten in der Einsatzleitung, auf jede Menge Erfahrung zurückgreifen. Hinter allem steht der Enthusiasmus der beiden Schweizer Bertrand Piccard und André Borschberg, die vor zehn Jahren das visionäre Projekt Solar Impulse ins Leben gerufen haben. 

Der Psychiater, Pilot und Abenteurer Piccard hat bereits einen Nonstop-Ballonflug rund um die Erde hinter sich. Auch Borschberg ist als ausgebildeter Kampf- und Hubschrauberpilot in Sachen Solarflug versiert. 2010 konnte Solar Impulse mit dem ersten Tag- und Nachtflug, der über 26 Stunden dauerte, mit 9235 Metern einen neuen Höhenrekord aufstellen. 

2013 flog die HB-SIA, so die Kennung des Flugzeuges, über die USA von der West- zur Ostküste und war dabei auf mehreren Etappen insgesamt über 105 Stunden in der Luft. Jetzt aber steht die vorerst größte Herausforderung an: In vier bis fünf Etappen soll die Solar Impulse 2 im nächsten Jahr die Welt umrunden. 

Der extreme Leichtbau des Solar-Motorseglers kombiniert mit der Flügelspannweite von 72 Metern ist für die DLR-Forscher eine besondere Herausforderung. Denn die Tragflächen schwingen deutlich langsamer als bei heutigen Verkehrsflugzeugen. 

Der extreme Leichtbau des Solar-Motorseglers kombiniert mit der Flügelspannweite von 72 Metern ist für die DLR-Forscher eine besondere Herausforderung. Denn die Tragflächen schwingen deutlich langsamer als bei heutigen Verkehrsflugzeugen. 

Foto: DLR

Das neue Großflächensolarflugzeug steht im Heimathangar nahe dem Schweizer Ort Payerne und füllt die Halle mit einer Spannweite von 72 Metern fast vollständig aus. Trotz dieser Größe bringt das Leichtgewicht nur rund zweieinhalb Tonnen auf die Waage. Knapp die Hälfte des Gewichts entfallen auf das Cockpit und die vier Triebwerksgondeln mit den integrierten Batterien, die das Flugzeug in der Nacht mit Strom versorgen. 

„Wir haben es hier mit einer extremen Leichtbaukonstruktion zu tun, bei der ein minimales Gerüst von einer nur 0,2 Millimeter dünnen HiTech-Folie überspannt ist“, sagt Yves Govers vom DLR-Institut für Aeroelastik in Göttingen. „Solch ein Flugzeug hat ein ganz eigenes Schwingungsverhalten etwa bei Windböen und Steuermanövern, das wir mit spezieller Messtechnik bei sogenannten Standschwingungsversuchen untersucht haben.“

Computermodelle sollen Flugverhalten der Solar Impulse 2 vorhersagen

Standschwingungsversuche sind ein wichtiger Bestandteil des Testprogramms von Flugzeugprototypen. Für jedes neue Flugzeugmuster muss dessen Flattersicherheit nachgewiesen werden. Flattern ist ein gefährlicher Schwingungszustand, der im Flug nicht auftreten darf. Dabei vergrößern sich die Schwingungen eines Flugzeugs, indem über die Tragflächen Energie aus der Umströmung aufgenommen wird.

Auf dem Gebiet der Standschwingungsversuche ist das DLR-Institut für Aeroelastik führend und hat bereits Prototypen großer Verkehrsmaschinen wie den Airbus A380 oder A350 auf ihr Schwingungsverhalten hin vermessen. „Beim Prototypen von Solar Impulse werden die Standschwingungsversuche allerdings nicht primär wegen der Flatteruntersuchungen durchgeführt“, erklärt Versuchsleiter Govers. „Das extrem leichte Solarflugzeug ist nur mit einer Geschwindigkeit von rund 70 Kilometern pro Stunde unterwegs, um besonders energiesparend zu fliegen. Bei diesen geringen Geschwindigkeiten ist das Flattern eher ein nachrangiges Problem.“ Wichtig sind die Ergebnisse der Standschwingungsversuche für Solar Impulse vor allem, um Computermodelle des Spezialflugzeugs zu überprüfen und somit dessen Strukturverhalten im Flug verlässlich vorhersagen zu können.

Solarflugzeug wird mit sogenannten Shakern in Schwingung versetzt

Der Prototyp von Solar Impulse wird von den DLR-Forschern mit elektrodynamischen Erregern, sogenannten Shakern, an mehreren Stellen in Schwingung versetzt. Die Shaker erzeugen wie bei Lautsprechern die Schwingungen über eine Magnetspule. Hier wird allerdings die Magnetkraft nicht für die Bewegung einer Lautsprechermembran benötigt, sondern direkt für die Vibration der Flugzeugstruktur verwendet.

Der Prototyp von Solar Impulse wird von den DLR-Forschern mit elektrodynamischen Erregern, sogenannten Shakern, an mehreren Stellen in Schwingung versetzt. Die Shaker erzeugen wie bei Lautsprechern Schwingungen über eine Magnetspule. 

Der Prototyp von Solar Impulse wird von den DLR-Forschern mit elektrodynamischen Erregern, sogenannten Shakern, an mehreren Stellen in Schwingung versetzt. Die Shaker erzeugen wie bei Lautsprechern Schwingungen über eine Magnetspule. 

Foto: DLR

Der extreme Leichtbau kombiniert mit der Flügelspannweite von 72 Metern ist für die DLR-Forscher eine besondere Herausforderung. „Die Tragflächen des Solar-Motorseglers sind in ihrer Größe vergleichbar mit denen heutiger Verkehrsflugzeuge, allerdings schwingen diese durch den extremen Leichtbau deutlich langsamer“, so Govers. „Wir haben es hier mit Schwingungsperioden von bis zu drei Sekunden zu tun. In diesem Bereich befinden wir uns an den Grenzen des überhaupt Messbaren.“ 

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