NASA und Boeing: Längere und schmalere Tragflächen sollen Flugeffizienz steigern
Lange, schmale Tragflächen sollen bei Flugzeugen den Treibstoffverbrauch senken und den Komfort steigern. Doch dazu muss das Flügelflattern beseitigt werden.
Die NASA und Boeing testen anhand eines halben Flugzeugmodells im Windkanal die Auswirkungen längerer und schmalerer Tragflächen.
(Bild: NASA/Mark Knopp)
Die US-Raumfahrtbehörde NASA und der Flugzeugkonzern Boeing suchen gemeinsam nach einer Lösung, um das Fliegen mit Passagierflugzeugen effizienter und komfortabler zu gestalten. Im Rahmen des Projektes „Integrated Adaptive Wing Technology Maturation” testen sie längere, schlankere Tragflächen. Die sollen dafür sorgen, dass künftige Passagiermaschinen weniger Treibstoff verbrauchen und zugleich ruhiger fliegen.
Im Rahmen der Zusammenarbeit haben die NASA und Boeing Windkanaltests an Tragflächen durchgeführt, die eine höhere Streckung aufweisen und schmaler sind. Längere und dünnere Flügel haben einen geringeren Luftwiderstand bei in etwa gleichem Auftrieb, sodass sie im Flug insgesamt effizienter sind.
Flügelflattern verhindern
Zugleich können die schmaleren Tragflächen jedoch neue Probleme verursachen: Durch die hohe Streckung werden sie flexibler. Dadurch kann es im Flug zu größeren Bewegungen innerhalb der Tragflächenstruktur kommen. Die Tragflächen können sich etwa verformen und neigen zum berüchtigten Flügelflattern. Das Flugzeug kann so bei böigem Wind anfangen, zu vibrieren und sich zu schütteln, was zu einem unruhigeren Flug und zu Belastungen der Flugzeugzelle führt.
„Flattern ist eine sehr heftige Wechselwirkung“, sagt Jennifer Pinkerton, Luft- und Raumfahrtingenieurin bei der NASA im Langley Research Center in Hampton, Virginia. „Wenn die Strömung über einem Flügel mit der Flugzeugstruktur in Wechselwirkung tritt und die Eigenfrequenzen des Flügels angeregt werden, werden die Flügelschwingungen verstärkt und können exponentiell anwachsen, was zu einem potenziell katastrophalen Ausfall führen kann. Ein Teil unserer Tests besteht darin, aeroelastische Instabilitäten wie Flattern für Flugzeugkonzepte zu charakterisieren, damit diese Instabilitäten im tatsächlichen Flug sicher vermieden werden können.“
Um Flügelflattern zu minimieren, arbeiten NASA und Boeing daran, die Auswirkungen von Windböen auf Flugzeuge zu mindern, indem sie die Tragflächenbelastungen durch Flugzeugbewegungen verringern. Die Ingenieure nutzten für ihre Untersuchungen den Windkanal Transonic Tunnel der NASA Langley, der mit 4,87 m Höhe und gleicher Breite groß genug ist, um ein halbiertes großformatiges Passagierflugzeugmodell darin zu testen.
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Zum Einsatz kommt ein Modell mit einer etwa 3,96 m langen Tragfläche, das die NASA zusammen mit Boeing und NextGen Aeronautics entwickelt hat. Das Modell ist mit insgesamt zehn beweglichen Steuerflächen an der Hinterkante der Tragfläche ausgestattet. Damit können der Luftstrom kontrolliert und die Kräfte reduziert werden, die auf die Flügel einwirken und sie zum Vibrieren bringen.
Die Ingenieure überwachten dabei mit Sensorik und Messinstrumenten sowohl die auf das Flugzeugmodell einwirkenden Kräfte als auch die Reaktionen des Flugzeugs. Die neue Tragfläche mit seinen zehn Steuerflächen sei nochmals ein Fortschritt gegenüber der Tragfläche, die die NASA und Boeing bereits in einer früheren Kooperation mit der Bezeichnung Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR) entwickelt hatten. Die dabei entstandene SUGAR-Tragfläche hatte lediglich zwei aktive Steuerflächen. Die neue Konstruktion mit zehn Steuerflächen sei komplexer, würde die Steuerungsziele jedoch noch besser erreichen.
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Die Ergebnisse aus Testreihen von 2024 und 2025 sowie daraus erwachsenen Computersimulationen flossen in die Entwicklung der neuen Tragfläche mit den erweiterten Steuerungskonfigurationen ein. Die Tests zeigen, dass die Kräfte bei böigem Wind durch die zusätzlichen Steuerungsflächen verringert werden konnten und das Flattern spürbar abnahm.
Die NASA und Boeing wollen die ermittelten Daten weiter analysieren und die Ergebnisse veröffentlichen. Diese könnten dann dazu verwendet werden, um sie in der Entwicklung der nächsten Generation von Passagierflugzeugen einzusetzen, um so deren Treibstoffverbrauch zu reduzieren und ruhiger fliegen zu lassen.
(olb)
