Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) forschen an einer verformbaren Flügelhinterkante, die sich stufenlos in beliebige Zielformen bewegen kann und klassische Landeklappen überflüssig macht.
Die Klappen an den Tragflächen heutiger Verkehrsflugzeuge werden durch eine aufwendige Mechanik betätigt. Deren Verkleidung sowie entstehende Spalte beim Ausfahren beeinträchtigen die Aerodynamik, erhöhen dadurch den Kraftstoffverbrauch und tragen zudem zum Fluglärm bei. Die neue Technologie ist dagegen nach dem Bewegungsvorbild der Venusfliegenfalle flexibel. Sie ermöglicht einen spaltfreien Übergang zwischen Tragfläche und Klappen.
Druck macht Effizienz
Bei der Suche nach einer technischen Möglichkeit, die Tragflächenhinterkante während des Fluges ideal verformen zu können, hat sich die Venusfliegenfalle als erstaunlich guter Ideengeber herausgestellt. Das verwundert aber nur auf den ersten Blick. „Die fleischfressende Dionaea Muscipula muss sehr schnell ihre Fangblätter zusammenklappen können, um ihre fliegende Insektenbeute zu fangen“, sagt Benjamin Gramüller vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik.
Sie schafft das durch eine Druckänderung in den Blattzellen und einer evolutionär optimierten Geometrie ihrer Blattform. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Venusfliegenfalle durch Wasserdruck eine Vorspannung aufbaut, die sie im Auslösefall, wenn etwa eine Fliege die Falle betritt, schnell entladen kann. Dann schnappt die Falle zu. „Das Bewegungsprinzip der Pflanze nutzen wir nun für Luftfahrtanwendungen“, so Gramüller.
Bewegung in zwei Zellschichten
Der DLR-Forscher und seine Kollegen haben die Idee des Zellverbundes, der unter Druck eine gewünschte Form annimmt, auf die Flügelhinterkante übertragen. Sie entwickelten dafür weltweit erstmals einen Landeklappendemonstrator, der mit Druckluft betrieben wird und flexibel aerodynamische Formen für den Reiseflug oder den Landeanflug annehmen kann.
Die Kunststoffzellen im Demonstrator haben verschiedene Größen, um der Form einer Flügelhinterkante gerecht zu werden. Zwei Zellschichten liegen übereinander. „Um die Kante anzuheben, geben wir Druckluft in die untere, um sie abzusenken in die obere Zellschicht“, erklärt Gramüller. Druckluft ist durch das bestehende Druckluftsystem eines heutigen Verkehrsflugzeuges prinzipiell leicht verfügbar. Mit der neuartigen Flügeltechnologie konnten die DLR-Forscher bereits zeigen, dass sich abhängig von der zugeführten Druckluft die gewünschten Klappenformen für Start und Landung ergeben.
Den ausgefahrenen Landeklappen verdankt ein Flugzeug bei langsamer Geschwindigkeit durch einen erhöhten Auftriebsbeiwert in der Luft zu bleiben. Die Klappen vergrößern die Wölbung der Tragflächen im Langsamflug und kompensieren so den Geschwindigkeitsverlust.
Zukünftig planen die Wissenschaftler, ihre neue Klappentechnologie im Windkanal zu testen. Das Forschungsvorhaben PACS (Pressure Actuated Cellular Structures) wird in Zusammenarbeit mit Airbus Defence and Space durchgeführt.
Bilderklärung
Funktionsprinzip des Landeklappendemonstrators PACS (Pressure Actuated Cellular Structures) am Beispiel eines doppelreihigen Kragarms sowie im Detail die Verschlusslösung einer PACS-Zelle mit formvariabler Verschlussmembran.
Modular aufgebauter Landeklappendemonstrator zur Realisierung formvariabler Oberflächen ohne Spalte
Der Landeklappendemonstrator kann über die zugeführte Druckluft verschiedene aerodynamische Formen für den Reiseflug oder den Landeanflug annehmen. Hier ist eine Auswahl verschiedener Stellungen dargestellt.
Die Klappen an den Tragflächen heutiger Verkehrsflugzeuge werden durch eine aufwendige Mechanik betätigt. Deren Verkleidung sowie entstehende Spalte beim Ausfahren erhöhen den Kraftstoffverbrauch und tragen zum Fluglärm bei. Hier ist das DLR-Forschungsflugzeug A320 ATRA bei Flugversuchen im Langsamflug zu sehen.
Die Venusfliegenfalle dient mit der Struktur ihrer Fangblätter als Vorbild für die neuartige spaltenlose Landeklappentechnologie. Sie kann ihre Fangblätter sehr schnell zusammenklappen, um die fliegende Insektenbeute zu fangen. Das schafft die fleischfressende Dionaea Muscipula durch eine Druckänderung in den Blattzellen und einer evolutionär optimierten Geometrie der Blattform.
Fotos: LR (CC-BY 3.0) 3x, WTD61, J.W. Webb (CC BY-SA 2.0).
