Absichtlich vibrierende Flügel: Forscher rütteln an Grundregel des Flugzeugbaus
Turbulente Strömung an den Tragflächen treibt den Kerosinverbrauch von Verkehrsflugzeugen in die Höhe. US-Forscher wollen sie mit einem vibrierenden Material unter der Außenhaut ausbremsen. Zwei neue Studien sollen die größten Hürden der Technik ausräumen
So sieht die spiralförmig aufgewickelte Struktur im Computermodell aus. Die farbigen Flächen über der Oberfläche zeigen, wie die Gegenschwingungen bei verschiedenen Frequenzen zusammenlaufen. Darunter sitzt das Metamaterial aus Aluminium, ABS und Luftkammern.
Foto: Hussein et al./ CU Boulder
Gut 10 km über dem Boden schiebt sich ein Verkehrsflugzeug mit rund 900 km/h durch dünne Luft. An der Vorderkante der Tragflächen kommt die Strömung noch glatt an. Weiter hinten beginnt sie zu verwirbeln. Die Passagiere merken davon nichts, die Triebwerke schon. Verwirbelte Luft erhöht den Reibungswiderstand, und der kostet Treibstoff. Laut der University of Colorado Boulder verbrennt ein Passagierjet allein auf einem Flug quer über die USA rund 37.900 l Kerosin. Schon wenige Prozent Ersparnis wären für Airlines bares Geld.
Ein Team um den Luft- und Raumfahrtingenieur Mahmoud Hussein von der University of Colorado Boulder will die Verwirbelungen deshalb mit einem ungewöhnlichen Mittel bekämpfen: Gezielte, mikroskopisch kleine Vibrationen unter der Außenhaut des Flugzeugs sollen sie abdämpfen, bevor sie sich zu Turbulenzen aufschaukeln. In zwei aktuellen Studien in den Fachjournalen Physical Review X und Proceedings of the Royal Society A berichten die Forschenden von zwei Fortschritten, die die Technik näher an reale Flugbedingungen bringen sollen.
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Was an der Tragfläche passiert
Wer verstehen will, was die Forschenden vorhaben, muss einen Blick in die sogenannte Grenzschicht werfen. So heißt die hauchdünne Luftschicht, die direkt an der Oberfläche eines Flügels entlangströmt. Im Idealfall fließt sie laminar. Die Luftschichten gleiten dann geordnet übereinander, der Reibungswiderstand bleibt gering.
Weiter hinten am Flügel kippt die Strömung dagegen in Turbulenz. Die Luftschichten vermischen sich also chaotisch und verwirbeln durcheinander. Das kostet Energie und erhöht die Reibung an der Oberfläche. Wie dieser Umschlag von laminar zu turbulent aussieht, zeigt eine ausgeblasene Kerze. Ihr Rauch steigt zunächst als glatter Faden auf, wenige Zentimeter höher zerfasert er in Wirbel.
Auf einer Tragfläche läuft im Prinzip dasselbe ab. Winzige Störungen in der Grenzschicht wachsen zu Wellen heran. Eine wichtige Form davon sind die sogenannten Tollmien-Schlichting-Wellen. Stromabwärts werden diese Wellen immer größer, bis sie die geordnete Strömung auseinanderreißen und in Turbulenz verwandeln. Da turbulente Strömung den Flügel stärker bremst als laminare, steigt mit ihr der Kerosinverbrauch.
Wie Flugzeugbauer bisher gegensteuern
Der Flugzeugbau versucht seit seinen Anfängen, diesen Effekt auszugleichen. Das wichtigste Werkzeug der Flugzeugingenieure war dabei bislang die Form der Tragflächen. Spezielle Flügelprofile werden so geformt, dass die Strömung möglichst lange laminar bleibt, bevor sie in Turbulenz umschlägt. Glatte Oberflächen und feine Rillenstrukturen nach dem Vorbild der Haihaut (Riblets) können die Verwirbelung zusätzlich abbremsen. Auch verformbare Tragflächen wie die Morphing-Flügel des DLR machen sich eine veränderte Geometrie zunutze. Sie passen das Profil im Flug stufenlos an und vermeiden so Spalten und Stufen, die zusätzlichen Widerstand erzeugen.
Doch der Ansatz stößt irgendwann an physikalische Grenzen. Mit der Formgebung lässt sich der Umschlag von laminar nach turbulent hinauszögern, aber nie ganz verhindern. Schon Insektenreste oder Regentropfen an der Flügelvorderkante können eine laminare Strömung vorzeitig kippen lassen.
Aus diesem Grund haben Ingenieure bereits aktive Systeme erprobt, die die Grenzschicht durch winzige Löcher absaugen und die Strömung so länger laminar halten. Diese Systeme benötigen jedoch Energie und zusätzliche Technik an Bord.
Vibrationen aus dem Untergrund: Der Ansatz aus Colorado
Mahmoud Hussein setzt nun unterhalb der Oberfläche an. Der Ingenieur forscht seit über zwei Jahrzehnten an sogenannten Phononen, an winzigen Schwingungen im Inneren von Materialien.
2015 stellte er das Konzept der phononischen Subsurfaces vor, kurz PSubs. Gemeint sind speziell konstruierte Metamaterialien, die unter der glatten Außenhaut eines Körpers sitzen und wie fein abgestimmte Stimmgabeln wirken. In den Simulationen der beiden Studien bestehen die PSubs aus Aluminium, dem zähen Kunststoff ABS und Luftkammern. Sie sind nur wenige Zentimeter lang.
Wie sie wirken: Trifft eine Strömungsstörung auf die Oberfläche, versetzt sie diese in minimale Schwingungen. Eine PSub-Struktur darunter reagiert darauf mit einer gegenphasigen Schwingung. Dadurch kann sie der Strömungsstörung Energie entziehen und ihr Wachstum dämpfen.
Passives „Cancelling“ von Strömungsstörungen
Das Prinzip ähnelt dem von Noise-Cancelling-Kopfhörern. Diese löschen Lärm aus, indem sie ihn mit gegenläufigem Schall überlagern. Die PSubs machen dasselbe mit den Wellen in der Grenzschicht. Die Störung wird gedämpft, bevor sie zur Turbulenz anwachsen kann. Das System arbeitet dabei passiv, also ohne externe Sensoren, Aktoren oder Energiezufuhr. Die Außenhaut selbst bleibt glatt.
„Seit den Anfängen der Luftfahrt gilt das Paradigma, den Widerstand allein über die Form des Fahrzeugs zu kontrollieren“, erklärt Hussein in einer Mitteilung seiner Universität. „Jetzt haben wir ein neues Konzept, das den Oberflächenwiderstand über Materialien beeinflusst, die dynamisch mit der Strömung interagieren.“
Bislang hatte der Ansatz jedoch zwei entscheidende Schwächen.
- Ein einzelner PSub wirkte immer nur bei einer einzigen Frequenz. Reale Turbulenz entsteht aber aus Störungen über ein breites Frequenzspektrum.
- Ein PSub dämpfte die Strömung immer nur an der Stelle, an der er saß. Weiter stromabwärts konnte sich die Turbulenz ungestört weiterentwickeln.
Superresonanz und Gitterstruktur: Was die neuen Studien zeigen
Die beiden aktuellen Arbeiten sollen diese Schwächen beheben:
- Streuungsfreie Interferenz (Proceedings of the Royal Society A): Viele PSubs lassen sich zu einem Gitter anordnen, das den Dämpfungseffekt stromabwärts über größere Flächen ausdehnt. Der Effekt wirkt laut der Studie unabhängig davon, aus welcher Richtung die Störwellen kommen. Eine sechseckige Anordnung schnitt in den Simulationen etwas besser ab als eine quadratische.
- Superresonanz (Physical Review X): Das Team hat die schwingende Struktur spiralförmig aufgewickelt. Dadurch wirkt die Gegenschwingung bei einem viel breiteren Bereich von Frequenzen als bisher – in den Simulationen war er mehr als fünfmal breiter als bei einer herkömmlichen Struktur gleicher Größe. Vier instabile Störwellen ließen sich damit laut Studie gleichzeitig dämpfen.
Wie groß der Effekt bisher ist, verschweigt die Universitätsmitteilung. Die Zahl steht im Fachmagazin Physics der American Physical Society, das die Superresonanz-Studie im Physical Review X eingeordnet hat. Demnach senke die aufgewickelte Struktur die Bewegungsenergie der vier Störwellen lokal um nur knapp 1 %.
Das Magazin bezeichnet dieses Ergebnis als bescheiden. Die Autoren erwarten allerdings, dass der Effekt unter realistischeren Bedingungen deutlich stärker ausfallen sollte. Denn während in der Simulation nur vier Störwellen gleichzeitig aktiv waren, tritt unter realen Bedingungen ein wesentlich breiteres Spektrum von Störungen auf. Je mehr davon die PSub-Struktur gleichzeitig dämpft, desto größer die Gesamtwirkung.
Wann fliegt das?
Alle Ergebnisse beruhen auf numerischen Strömungssimulationen, real gemessen wurde noch nichts. Wie weit der Weg zur Tragfläche noch ist, zeigt der Aufbau der Gitter-Studie im Proceedings of the Royal Society A: Simuliert wurde eine Kanalströmung mit Wasser, der Kanal keinen Millimeter hoch, die Störung eine einzelne Welle mit 1555 Hz. Die Autoren bezeichnen das als vereinfachtes Modell, dessen Prinzipien sich auf die Grenzschichten von Flugzeugen übertragen ließen. Immerhin existieren laut der Universität bereits physische Prototypen von Forschungsgruppen weltweit. Als nächster Schritt stehen Tests im Windkanal an.
Offene Fragen bleiben genug. Die simulierten Einheiten sind bis zu 5 cm lang und müssten senkrecht unter der Außenhaut Platz finden. Zu Gewicht, Fertigungskosten, Haltbarkeit und Zulassung machen die Studien keine Angaben, zu einem möglichen Zeitplan für den Einsatz in Verkehrsflugzeugen ebenfalls nicht.
Anwendungsmöglichkeiten gäbe es aber auch genug. Das Office of Naval Research des US-Verteidigungsministeriums fördert Husseins Projekt mit 7,5 Mio. USD über fünf Jahre. Im Fokus stehen dabei auch Hyperschallfahrzeuge, deren Oberflächen sich durch Turbulenz auf mehrere tausend Grad aufheizen. Laut Hussein ist das Anwendungsfeld aber noch breiter. Neben Flugzeugen nennt er Schiffe, Pipelines und Turbomaschinen – faktisch jede Anwendung, bei der Turbulenz Energie frisst.
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