Neues Modell könnte zur Überarbeitung der Leitwerkskonstruktion beitragen
Tragflächen – zu denen Flügel, Lamellen, Propellerblätter und Rotorblätter von Hubschraubern gehören – sind die Oberflächen, die das Fliegen eines Flugzeugs ermöglichen. Bei einem typischen Flugzeug ist die Form der Tragfläche so gestaltet, dass sie die positive Auftriebswirkung der Luft, die den Flügel umströmt, ausnutzt. Das Flugzeug steigt, wenn die Kräfte des Auftriebs und des Schubs größer als die Schwerkraft und der Luftwiderstand sind – die Kraft, die sich der Bewegung eines Flugzeugs durch die Luft widersetzt. „Der Flügel trägt zu einem Drittel zum Gesamtwiderstand eines Flugzeugs bei“, erklärt Franco Auteri, Projektkoordinator von MONNALISA am Polytechnikum Mailand in Italien. „Die Optimierung der Flügelform ist daher für die Leistung des Flugzeugs entscheidend, da sie den Luftwiderstand verringern kann.“ Weniger Luftwiderstand bedeutet weniger Kraftstoffverbrauch sowie weniger CO2 und andere Schadstoffe, die in die Atmosphäre abgegeben werden. Ähnliche Überlegungen gelten auch für das Leitwerk. Zwar ist die Oberfläche des Leitwerks kleiner, aber das Erreichen einer optimalen Leistung kann auch zu einer höheren betrieblichen Effizienz beitragen.
Aerodynamische Leistung vorhersagen
Ziel des EU-finanzierten Projekts MONNALISA war es, die Entwicklung fortschrittlicher Prototypen von Leitwerkskomponenten zu unterstützen, um der Nachfrage der großen europäischen Flugzeughersteller gerecht zu werden. „Dieser Teil des Flugzeugs ist entscheidend für dessen Stabilität“, sagt Auteri. „Er ist daher ein sehr wichtiges Bauteil.“ Dazu wurde im Rahmen des Projekts MONNALISA ein einfaches, aber wirksames mathematisches Modell erstellt, mit dem sich die aerodynamischen Leistungen des Leitwerks genauer vorhersagen lassen. Die Idee bestand darin, dass Flugzeughersteller mit diesem Modell Optimierungszyklen durchführen und dann eine effizientere und gleichzeitig sichere Aerodynamik für das Leitwerk entwickeln könnten.
Kalibriertes Modell für Leitwerksgestaltung
„Dafür sind wir einen sehr innovativen Weg gegangen“, fügt Auteri hinzu. „Wir sind von einem zuverlässigen mathematischen Modell ausgegangen und haben dieses auf der Grundlage einer großen Datenbank mit experimentellen und numerischen Daten weiter optimiert. Diese Daten wurden im Rahmen des Projekts MONNALISA erstellt.“ Es wurden fortgeschrittene Verfahren zur quantitativen Bewertung der Unsicherheit verschiedener numerischer Ergebnisse angewandt. So konnte das Projektteam sein Modell kalibrieren, um die aerodynamischen Leistungen so genau wie möglich vorherzusagen. Dem Projektteam ist es gelungen, ein neues kalibriertes Modell zu erstellen, das von Flugzeugherstellern zur Optimierung des Heckbereichs verwendet werden kann. Dies könnte in Zukunft zur Entwicklung neuer Leitwerkskonstruktionen führen. Ein weiteres Ergebnis – das für die Wissenschaft von großem Nutzen sein könnte – ist die umfangreiche, aufgebaute Datenbank. „Diese Datenbank wird der wissenschaftlichen und industriellen Gemeinschaft offen zur Verfügung gestellt“, so Auteri. „Wir sehen die Datenbank als einen nützlichen Bezugspunkt für die Zukunft.“
Innovative Leitwerkskonzepte für Verkehrsflugzeuge
Auteri und sein Team hoffen, dass die Projektergebnisse den Weg für die Entwicklung innovativer neuer Leitwerkskonstruktionen für Verkehrsflugzeuge ebnen werden. Die Überwindung der derzeitigen Konstruktionsgrenzen könnte in naher Zukunft zu saubereren und sichereren Verkehrsflugzeugen führen. Die nächsten Schritte werden darin bestehen, das neue Modell des Projekts in den Konstruktionskreislauf der Flugzeughersteller zu integrieren, damit fortschrittliche Heckteile konzipiert und hergestellt werden können. „Es ist sehr aufregend, sich vorzustellen, dass die Verkehrsflugzeuge der Zukunft ganz anders aussehen könnten als heute, und dass wir vielleicht zu diesem radikalen Wandel beigetragen haben“, sagt Auteri.
Schlüsselbegriffe
MONNALISA, Flugzeug, Aerodynamik, Flugzeuge, Hubschrauber, Tragflächen