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Kohlefaser Flügel verformen sich durch Morphing Technologien

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Am Fraunhofer LBF haben Wissenschaftler eine verformbare Flügelvorderkante entwickelt, die sich den aerodynamischen Anforderungen anpasst. Morphing Technologien ermöglichen damit einen leisen und energiesparenden Flug.

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Leise, sicher und energiesparend soll der Luftverkehr von morgen sein. Mit der „Morphing Leading Edge“ kommt das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF diesem Ziel ein Stück näher.
Leise, sicher und energiesparend soll der Luftverkehr von morgen sein. Mit der „Morphing Leading Edge“ kommt das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF diesem Ziel ein Stück näher.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Die Ansprüche an eine zukunftsfähige Luftfahrt sind hoch: der Luftverkehr von morgen soll leise, sicher und energiesparend sein. Im EU geförderten Projekt „Clean Sky 2“ entwickelt das Fraunhofer LBF in Kooperation mit weiteren Fraunhofer-Instituten und dem Industriepartner Airbus DS Morphing Technologien für die Luftfahrt der Zukunft. Mit der Morphing Leading Edge ist eine verformbare Flügelkante entstanden, die sich den aktuellen aerodynamsichen Anforderungen anpasst. Im Langsamflug erhöht sie die Wölbung des Flügels und damit seinen Auftrieb, ohne dass sich, wie bei klassischen Hochauftriebshilfen, Umströmungslärm und Luftwiderstand erzeugende Spalte öffnen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer LBF und ihre Kooperationspartner stellten sich während ihres Projekts Fragen wie:

  • Welches Material ermöglicht die erforderliche Formflexibilität und zwar im gesamten Temperaturbereich?
  • Wie lassen sich die erforderlichen Kräfte zur Verformung erreichen, ohne dabei zu schwer zu sein und zu viel Bauraum zu verbrauchen?
  • Welche Redundanzkonzepte sind erforderlich, um die für den Luftverkehr erforderliche Sicherheit zu gewährleisten?

Im Forschungsprojekt erhielten die Forscher folgende Antwort: eine konstruktive Lösung soll die unterschiedlichen Anforderungen bestmöglich erfüllen. „Wir planen bei einer Fortsetzung des Projektes, das bis jetzt digital entwickelte System der „Morphing Leading Edge“ auch in Hardware zu bauen und ihre Funktionsfähigkeit zu demonstrieren“, erklärt Dr. Volker Landersheim, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF betreute.

Verbundwerkstoff ist steif und verformbar zugleich

Die Hautstruktur der Morphing Leading Edge sollte steif sein, um die hohen Luftlasten aufzunehmen. Gleichzeitig muss sie aber auch verformbar sein. Um diesen Konflikt zu lösen, wählten die Forschenden einen Verbundwerkstoff auf Kohlefaserbasis, der auch unter Leichtbaugesichtspunkten viele Vorteile bietet.

Die Dicke und der innere Aufbau des Laminats variieren dabei lokal. Der Aufbau der Hautstruktur wird so maßgeschneidert, dass an jedem Ort die dort benötigten Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften gegeben sind.

In Werkstoffversuchen haben die Forschenden die Tauglichkeit des Materials für die erforderliche Lebensdauer nachgewiesen. Eigenspannungen, die durch thermische Schrumpfung beziehungsweise Ausdehnung entstehen können, analysierten sie numerisch und lösten diese konstruktiv durch geschickte Materialkombinationen. Zudem integrierte das Wissenschaftler-Team ein CNT-basiertes Enteisungssystem und eine lasergestützte Formüberwachung in das System.

Elektromechanische Aktoren bewegen Flügel

In der Luftfahrt geht der Trend in Richtung elektrifizierter Antrieb. Energieintensive Hydraulik soll möglichst vermieden werden.

Bei der „Morphing Leading Edge“ fiel die Wahl daher auf elektromechanische Aktoren. Ein serielles Redundanzkonzept gewährleistet auch beim Ausfall eines Aktors die vollständige Funktionalität des Systems. Gleichzeitig wird damit eine Überlastung der Struktur durch eine fehlerhafte, gegensätzliche Ansteuerung der beiden Aktoren sicher vermieden.

Auch weitere mögliche Fehlerfälle wurden im Hinblick auf ihre Folgen analysiert, um Risiken für den sicheren Flugbetrieb zu minimieren. Mit numerischen Analysen wurde die zu erwartenden Bauteilbelastungen durch Luftlasten und durch die Steifigkeit der Haut ermittelt. Zudem legten die Wissenschaftler die erforderlichen Kraftübertragungselemente unter Berücksichtigung der hohen Leichtbauanforderungen betriebsfest aus.

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