Flugzeuge mit weniger Luftwiderstand für günstigere, sauberere Flüge
Wenn ein Flugzeug fliegt, ist der Luftwiderstand umso größer, je mehr Oberfläche Strömungsluft ausgesetzt ist. Stromlinienförmige, neue Materialien helfen dem Flugzeug dabei, die Luft einfacher zu passieren zu können. Ingenieurinnen und Ingenieure haben ein Herstellungsverfahren zur weiteren Senkung des Luftwiderstands entwickelt. Forschende haben zusammen mit dem EU-finanzierten Projekt HyperDrill eine Maschine entwickelt (siehe obiges Foto), die winzige Löcher in die großen Titanplatten bohrt, welche den Flugzeugrumpf bilden. HyperDrill wurde durch das Programm für große Passagierflugzeuge der Clean-Sky-2-Initiative unterstützt.
Kleine Löcher in großen Platten – technische Herausforderungen und Qualitätskontrollen
„Das Hauptziel des HYPERDRILL-Projekts war die Konstruktion, Herstellung, Montage und Erprobung einer Prototypenmaschine für Mikrobohrungen an großen Titanplatten mit einer Bohrgeschwindigkeit von mehr als 300 Löchern pro Sekunde“, erläutert Carlos Soriano, Projektkoordinator und Verantwortlicher für Lasertechnologie beim ausführenden Unternehmen Tekniker. Die Entwicklung und Perfektionierung des industriellen Verfahrens für die zeitgenaue Herstellung der perforierten Bleche mit der erforderlichen Genauigkeit und Einheitlichkeit war keine leichte Aufgabe. „Der Prototyp musste in der Lage sein, Millionen winziger Löcher (etwa 0,1 mm im Durchmesser) an Titanplatten mit einer Dicke von 1 Millimeter und einer Arbeitsfläche von bis zu 5 x 2 Quadratmeter zu erzeugen“, erklärt Soriano. Es war erforderlich, den Prozess und die Technologie zu optimieren, um Produkte mit der gewünschten Qualität herzustellen. „Eine der größten Herausforderungen bestand in der Aufrechterhaltung eines einheitlichen Lochdurchmessers und Lochabstands bei minimaler Abweichung, da sich die Titanplatte im Verlauf des Mikrobohrverfahrens, vor allem aufgrund thermischer Belastungen, leicht verformt“, merkt Soriano an. Das Team minimierte unter Verwendung seines Prototyps die Anzahl zu dichter Löcher auf 0,02 %, das sind 2 von enormen 10 000 Platten. Die Genauigkeit beim Durchmesser mit einer Abweichung von weniger als 5 Mikrometer ist gleichermaßen beeindruckend. Darüber hinaus ermöglicht die Maschine verschiedene Mikrolochverteilungen wie u. a. eine quadratische, Anordnung sowie Zwischenabstände. Die Maschine ist mit verschiedenen Sensoren und Kontrollsystemen ausgestattet, welche die Plattenbearbeitung überwachen und Einheitlichkeit gewährleisten. Er merkt an: „Wenn tatsächlich etwas falsch läuft, falls beispielsweise der Durchmesser der Löcher anfängt von dem Sollwert abzuweichen, kann die Maschine stoppen, sodass das Bedienpersonal eine Fehlerüberprüfung durchführen, ggf. die Parameter anpassen und das Verfahren in der Stellung, in der es gestoppt wurde, wieder fortsetzen kann.“
Große Ansaugplatten für die hybride Laminarströmungskontrolle
Die mikroperforierten Titanplatten werden vor allem Bestandteil der Tragflächenanströmkanten und Leitwerke zukünftiger Passagierflugzeuge sein, um die sogenannte hybride Laminarströmungskontrolle zu verwirklichen. Das Verfahren ermöglicht mittels einer in die Tragflächenstruktur des Flugzeugs integrierten Ansaugkammer, dass die Grenzschicht von Strömungsluft, die während des Flugs an der Oberfläche aerodynamischer Flugzeugoberflächen erzeugt wird, durch die mikroperforierte Hülle nach oben gesaugt wird. Das Ergebnis ist eine stabilere Laminarströmung, die letztlich den Luftwiderstand des Flugzeugs und somit seinen Treibstoffverbrauch senkt. Soriano hebt hervor: „Die hybride Laminarströmungskontrolle kann tatsächlich in einer wesentlichen Reduktion von etwa 10 % beim Treibstoffverbrauch von zivilen Transportflugzeugen resultieren, was wiederum für weniger CO2- und Schadstoffemissionen sorgt.“ Es handelt sich um einen ersten Prototyp und es zeichnen sich vielversprechende Verbesserungen ab, darunter die Integration neuer Laserquellen zur Verbesserung der Oberflächenbearbeitung.
Schlüsselbegriffe
HyperDrill, Löcher, Flugzeug, Luftwiderstand, Prototyp, Treibstoffverbrauch, Titanplatte, hybride Laminarströmungskontrolle, Laser
