Messtechnik DLR erforscht Strömungswiderstand mittels berührungsloser Messtechnik

Redakteur: Jan Vollmuth

Das (DLR) nutzt berührungslose Messtechnik für die anwendungsorientierte Luftfahrtforschung. Um etwa den Strömungswiderstand von Flugzeugoberflächen zu erforschen, setzt das DLR unter anderem optische Messsysteme von GOM an einem Airbus A320 ein.

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GOM unterstützt die Luft- und Raumfahrtforschung des DLRs durch präzise Messungen der Bauteilgeometrien.
GOM unterstützt die Luft- und Raumfahrtforschung des DLRs durch präzise Messungen der Bauteilgeometrien.
(Bild: GOM)

Um Flugzeuge in Zukunft energieeffizienter und umweltfreundlicher zu gestalten, nutzt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) einen Airbus A320 als flexible Versuchsplattform. Durch verschiedene Versuche an dem Flugzeug sollen Technologien entwickelt werden, die zur Reduzierung des Treibstoffverbrauches und damit auch von umweltschädlichen CO2-Emissionen beitragen.

Konzentration auf den Strömungswiderstand

Dafür konzentriert sich das DLR auf den Effekt von Oberflächengeometrien auf den Strömungswiderstand. Anhand eines Höhenleitwerkes des ATRA (Advanced Technology Research Aircraft) soll dieser Effekt erforscht und somit die Aerodynamik von Flugzeugen verbessert werden.

Entscheidend für die Entwicklung verbesserter Bauteile ist es, die Geometrie dahingehend zu optimieren, dass möglichst wenig Strömungswiderstand entsteht. Die Oberflächenreibung an Tragflächen und Flugzeugrumpf bremst das Flugzeug aus, was einen höheren Treibstoffverbrauch zur Folge hat. Der Widerstand ist abhängig davon, ob die Strömung, die die Flugzeugteile umgibt, laminar oder turbulent ist. Während turbulente Strömungen Verwirbelungen aufweisen und dadurch eine größere Grenzschicht bilden, treten bei laminaren Strömungen keine Turbulenzen auf, was zu einer dünnen Grenzschicht führt. Je größer eine Grenzschicht ist, desto größer wird auch der Reibungswiderstand, welcher mit einem erhöhten Treibstoffverbrauch kompensiert werden muss. Die Forschung des DLRs zielt deswegen darauf ab den Widerstand zu minimieren, indem die Strömung möglichst lange laminar gehalten wird.

Erforschung des Umschlagpunktes

Um den Umschlagpunkt von laminarer zu turbulenter Strömung zu erforschen und in einem weiteren Schritt zu beeinflussen, haben die Mitarbeiter des DLRs zunächst einen Teil des Leitwerkes mit einer Folie abgeklebt. Die Folie weist eine definierte Rauigkeit auf, die die Tragflächenoberfläche insgesamt homogener macht. Zudem wurden Welligkeiten und andere Einflussfaktoren wie Schweißnähte und Nieten verspachtelt und begradigt. Anschließend ist der bearbeitete Bereich mit den optischen Messsystemen von GOM berührungslos und flächenhaft vermessen worden.

Um erste 3D-Koordinaten des Objektes zu erfassen, wurde das Leitwerk des ATRA zunächst mit dem portablen Tritop-System eingemessen. Dieses bedeutet eine erhebliche Zeitersparnis und erhöht die Messgenauigkeit. Anschließend erfolgte die Messung durch das flexible 3D-Messsystem Atos Triple Scan, welches von einem Gerüst auf Höhe der zu messenden Tragfläche aus betrieben wurde. Die portablen Messsysteme von GOM sind auch unter Werks- und Produktionsbedingungen einsetzbar und realisieren damit das Prinzip „Messgerät kommt zum Messobjekt“.

Schneller 3D-Scanner

Der Atos Triple Scan ermöglicht durch modernste Kamerasensoren und Projektionstechnologie eine Reduktion der Einzelscans und beschleunigt auf diese Weise den gesamten Messablauf. Für eine hochauflösende und flächenhafte Darstellung der 1,5 m x 3 m großen Fläche benötigte der 3D-Scanner weniger als 15 Minuten.

Die erste Messung lieferte dem DLR eine präzise Darstellung der Flügelgeometrie. Die Messergebnisse stellten zudem die Ausgangslage für die weitere Versuchsreihe dar. In einem iterativen Prozess wurden für die anschließenden Flugversuche weitere Veränderungen an dem Flügel vorgenommen. Diese Veränderungen hatten zum Ziel, die Verschiebungen des Umschlagspunktes darzustellen. Dafür fanden thermografische Messungen direkt im Flug statt. Insgesamt fünf Flugversuche mit Wärmebildmessungen zeigten einen positiven Effekt der Geometrieveränderung: Durch die veränderte Rauigkeit der Oberfläche konnte eine Verschiebung des Umschlagspunktes von laminarer zu turbulenter Strömung erreicht und visualisiert werden.

Thermografische Messung des Leitwerks

Sichtbar gemacht wurde dieser Effekt durch die thermografische Messung des Leitwerkes. Turbulente Bereiche kühlen schneller aus, sodass auf dem Infrarotbild signifikante Wärmeunterschiede ersichtlich werden. Dadurch lässt sich genau erkennen, an welcher Stelle der laminare Bereich in einen turbulenten umschlägt. In Anschluss an die letzte Veränderung der Tragfläche und damit auch die letzte Infrarotmessung, erfolgte eine weitere optische Messung samt den vorgenommenen Geometrieveränderungen mit den Messsystemen von GOM. Eingesetzt wurden erneut das Photogrammetriesystem Tritop und der Atos Triple Scan. Dadurch erhielten die Forschenden, zusätzlich zu der Darstellung des Ausgangszustandes des Bauteiles, auch die Darstellung der Tragfläche mit den verschiedenen Geometrieveränderungen, was einen direkten Vergleich beider Datensätze erlaubt.

Die qualitative Erkenntnis, die die Aerodynamiker des DLRs über die Sensibilität der Strömung gegenüber der Tragflächengeometrie gewonnen haben, soll in Zukunft auf Flügel und Flugzeugrumpf übertragen werden. So kann der erforschte Effekt großflächig genutzt werden, mit dem Ziel die Performanz von Flugzeugen zu verbessern und so in Zukunft energieeffizienter und umweltfreundlicher zu produzieren. (jv)

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