Turbulenzen und Wirbelschleppen sollten Flugzeuge normalerweise tunlichst vermeiden – doch mit normalen Bedingungen hat Forschung oft nun mal wenig zu tun.
Und so sind die Testpiloten und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) in Flugversuchen gezielt in Luftwirbel geflogen, um numerische Modelle und ein neues Online-Monitoringverfahren zur sofortigen Bewertung der aeroelastischen Stabilität zu prüfen. Im Projekt iLOADS wird an der Betriebsgrenze des Forschungsflugzeugs HALO (High Altitude LOng Range Research Aircraft) geforscht, um so die Kapazitäten für wissenschaftliche Instrumentierungen auszuloten. Dank der Ergebnisse lassen sich zukünftige Forschungsmissionen noch gewinnbringender durchführen.
Ausloten der Belastung
Das Forschungsflugzeug HALO wird für seine Atmosphärenforschungs- und Erdbeobachtungsmissionen mit speziellen Messinstrumenten ausgerüstet. Diese werden an Bord, in Anbauten und an einem speziellen Außenlast-Träger installiert, dem sogenannten PMS-Carrier (Particle Measurement System). Um dabei das Maximum an Daten und Erkenntnissen herauszuholen, ist es wichtig zu wissen, mit wie viel Gewicht dieser Träger belastet werden darf.
Denn damit das Flugzeug noch sicher fliegen kann, ist den Kapazitäten für Instrumentierung eine Grenze gesetzt: Eine bestimmte Belastung dürfen die Anbauten nicht überschreiten. Herauszufinden, wo diese Grenze genau liegt und welche Rolle Flugmanöver und Böen für diese Belastungen spielen, ist ein Teil des Projekts iLOADS (dt.: Integrierte Lastanalyse im DLR).
HALO in Schwingung bringen
Die Wissenschaftler untersuchten zunächst, wie sich das Flugzeug unter verschiedenen Belastungen verhält. Ähnlich wie eine Gitarrensaite, die schwingt wenn sie angeregt wird, weisen auch Flugzeuge charakteristische Schwingungsformen bei spezifischen Frequenzen (den so genannten Eigenfrequenzen) auf. Liegt die Anregung durch eine äußere Störung (z. B. durch eine Böe) in einem Frequenzbereich nahe der Eigenfrequenz, so können hohe Belastungen der Struktur auftreten. Diese Eigenschaft muss beim Bau des Flugzeugs sowie der Ausstattung mit Instrumenten berücksichtigt werden.
Um das Eigenschwingungsverhalten von HALO am Boden und im Flug festzustellen, installierten die Forscher eine Messanlage mit über 67 Sensoren: „Insgesamt haben wir 51 Beschleunigungs- und 16 Dehnungssensoren an HALO angebracht. Damit konnten wir einen extrem schnellen Zugriff der Auswerteverfahren auf die Sensordaten realisieren und das Schwingungsverhalten sowie die Lastübertragung der PMS-Carrier in die Flügel in einem einzigen Testdurchlauf bestimmen“, beschreibt der Leiter des Experiments, Julian Sinske, den Versuchsaufbau.
Unter Laborbedingungen wurde HALO im Hangar der Einrichtung Flugexperimente des DLR in Oberpfaffenhofen mit verschiedenen Frequenzen zum „Schwingen“ angeregt und dabei die Amplituden aufgezeichnet. So konnten die Eigenschaften der Flugzeugstruktur exakt bestimmt werden. Die gewonnenen Daten fließen wiederum in numerische Modelle und Simulationen ein, die das Verständnis des Flugverhaltens mit bestimmten wissenschaftlichen Instrumentierungen verbessern.
Das Problem: Nicht alle Parameter lassen sich durch Versuche am Boden bestimmen. „Das Schwingungsverhalten von HALO verändert sich im Flug durch die Anströmung der Luft in Abhängigkeit von Flughöhe und Geschwindigkeit“, führt Dr. Yves Govers aus, Gruppenleiter am DLR-Institut für Aeroelastik in Göttingen. „Deshalb führen wir Flugversuche durch, in denen wir HALO gezielt ins Schwingen bringen, z.B. beim Durchflug von Turbulenzen. So können wir unsere Modelle um die fehlenden Parameter ergänzen.“
Damit die Forscher aber nicht ziellos den Himmel nach Verwirbelungen absuchen müssen, griffen sie auf ein zweites Forschungsflugzeug der DLR-Flotte zurück: Die Falcon 20E. Mit ihr flogen die Testpiloten der DLR-Einrichtung Flugexperimente vor HALO hinweg und erzeugten so Wirbelschleppen und Turbulenzen, in die HALO gezielt hineinsteuerte.
Online-Monitoring für direkte Ergebnisse
Um Daten aus Flugversuchen auszuwerten, mussten diese früher an die Bodenstation übertragen werden. Beim Projekt iLOADS kam jetzt eine neue Entwicklung des Instituts für Aeroelastik zum Einsatz: Bei der sogenannten Online-Schwingungsüberwachung werden die gesammelten Daten permanent von der Messanlage auf mehrere Rechner im Flugzeug verteilt.
Dank des automatischen Auswerteverfahrens ist das Schwingungsverhalten direkt für die Wissenschaftler an Bord verfügbar. So können sie bereits während des Fluges überprüfen, ob bei sich ändernden Flugbedingungen, infolge von Manövern oder Böen, gefährlich große Schwingungen entstehen. Im Projekt iLOADS wurde getestet wie praktikabel das entwickelte System ist. Erweist es sich als erfolgreich, hat es das Potential, Forschung nicht nur zu beschleunigen, sondern auch die Kosten von Flugversuchen drastisch zu senken.
Simulation, Experiment, Vorhersage
Mit den gesammelten Daten vergleichen die Forscher im nächsten Schritt ihre numerischen Berechnungen und Modelle mit den Daten des Herstellers. Hierfür fügen sie HALOs Außenlasten und Anbauten der Simulation des Standard-Flugzeugmodells hinzu. So können die Wissenschaftler ermitteln, mit wieviel Gewicht das Forschungsflugzeug maximal belastet werden kann. Die numerischen Analysen zeigen, welche aeroelastischen Kräfte bei welcher Flughöhe und -geschwindigkeit auf das Forschungsflugzeug wirken.
„Auf dem Computer haben wir alle Fälle bereits durchgerechnet. Durch die Flugversuche können wir jetzt konkret herausfinden, ob unsere Modelle stimmen“, sagt Prof. Wolf-Reiner Krüger, Projektleiter iLOADS. So können die Wissenschaftler exakt bestimmen, mit welchen Lasten sich HALO maximal fliegen lässt und wo die Grenzen der Instrumentierung liegen. „Mit diesen Erkenntnissen lassen sich zukünftige Missionen besser planen und gewinnbringender durchführen“, erklärt Prof. Krüger.
Umrüstungen schneller durchführen
Um mit einem Flugzeug Forschung betreiben zu können, braucht es nicht nur das Know-how, entsprechende Instrumente und Messgeräte am Flugzeug zu installieren – die Anbauten müssen auch zugelassen und abgenommen werden. „Das DLR ist als anerkannter Entwicklungsbetrieb dazu berechtigt, Modifikationen für die eigenen Luftfahrzeuge zu entwickeln und die gesetzlich vorgeschriebenen Musterprüfungen selber durchzuführen und zu bescheinigen“, sagt Oliver Brieger, Leiter des DLR-Forschungsflugbetriebs.
Für den Prozess der Abnahme sind allerdings viele Nachweise nötig, die demonstrieren, dass die Anbauten die Flugdynamik, Aeroelastizität oder andere Parameter nicht negativ beeinträchtigen. „Durch verbesserte Modelle wird es möglich sein, diese Modifikationen schneller durchzuführen. Das beschleunigt wiederum den gesamten Forschungsflugbetrieb“, so Brieger.
Über HALO
Das Forschungsflugzeug HALO ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. Gefördert wird HALO durch Zuwendungen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Helmholtz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Leibniz-Gemeinschaft, des Freistaates Bayern, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ), des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
Auf den Bildern: HALO basiert auf einem Ultra Long Range Business Jet G 550 der Firma Gulfstream. – Die Kombination aus Reichweite, Flughöhe, Nutzlast und umfangreicher Instrumentierung macht das Flugzeug zu einer weltweit einzigartigen Forschungsplattform.
PMS-Carrier (Particle Measurement System) – Ziel der Flugversuche war es, das Schwingungsverhalten sowie die Lastübertragung der PMS-Carrier in den Flügeln zu bestimmen.
Einbau der Messanlage – Insgesamt 51 Beschleunigungs- und 16 Dehnungssensoren wurden an HALO angebracht.
Fotoquelle: DLR (CC-BY 3.0)
