Additive Fertigung Ohne Luftreibung in die Zukunft fliegen

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Das Team im Exzellenzcluster SE2A für nachhaltige Luftfahrt der Technischen Universität Braunschweig hat mit Additiver Fertigung einen Flugzeugflügel aerodynamisch effizienter gestaltet. Mit einer 3D-gedruckten Absaugpaneele konnte die Grenzschicht – also der Bereich der Luftströmung unmittelbar an der Tragfläche – gezielt stabilisiert und optimiert werden.

Ziel des Exzellenzclusters für nachhaltige Luftfahrt ist unter anderem die Reduktion von Emissionen und des Energieverbrauchs. Eine Rolle spielt dabei das Strömungsverhalten von Flugzeugen, insbesondere an den Tragflächen. Für Experimente dazu haben die Forschenden den Niedergeschwindigkeits-Windkanal Braunschweig (NWB) der Stiftung Deutsch-Niederländische Windkanäle (DNW) genutzt. Der Windkanal ermöglicht einen sehr geringen Turbulenzgrad, sodass hier ein ähnliches Grenzschichtverhalten der Strömung wie in Freiflugexperimenten simuliert werden kann.

Bereits im vergangenen Jahr konnten die Forschenden des Exzellenzclusters SE²A in Kooperation mit dem Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Möglichkeiten von 3D-gedruckten Paneelen zur Grenzschichtabsaugung im Windkanal demonstrieren. Mit mikroperforierten – also mit winzigen Löchern versehenen – Absaugpaneelen aus dem 3D-Drucker haben die Forschenden eine sogenannte Laminarisierung der Grenzschicht erreicht. Dabei wird ein kleiner Teil der Grenzschicht durch die mikroperforierte Oberfläche abgesaugt und diese so stabilisiert.

Bis zu 90 Prozent weniger Luftreibung

Nun ist es den beiden Forschern Lajos Fohlmeister und Jan Kube zum ersten Mal gelungen, eine laminare Grenzschicht auf einem 3D-Flügel durch integrierte 3D-gedruckte Absaugpaneele zu erzeugen. Mit den neuen Absaugpaneelen lässt sich die Grenzschicht an aerodynamischen Körpern so verändern, dass der laminar-turbulente Umschlag weiter stromabwärts verschoben wird und sich der Anteil der laminaren Grenzschicht signifikant erhöht. Der Vorteil dabei ist, dass die laminare Grenzschicht bis zu 90 Prozent weniger Luftreibung als die turbulente Grenzschicht verursacht. Die Luftreibung macht bei modernen Verkehrsflugzeugen etwa die Hälfte des Gesamtwiderstandes aus. „Die laminare Strömungskontrolle ist also eine vielversprechende Möglichkeit, den Treibstoffverbrauch und damit auch die Emissionen von Verkehrsflugzeugen signifikant zu reduzieren“, sagt Jan Kube von der TU Braunschweig, zuständig für die Fertigung der 3D-gedruckten Absaugpaneele.

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Ein besonderes Highlight der neuen Untersuchung ist der 3D-Sichelflügel, entwickelt am Institut für Strömungsmechanik im Exzellenzcluster SE²A. „Die besondere Geometrie des Flügels in Form einer Sichel erlaubt die Untersuchung verschiedener aerodynamischer Zustände und insbesondere der Übergänge zwischen diesen Zuständen“, sagt Lajos Fohlmeister, zuständig für die Entwicklung des Sichelflügels und die Durchführung der Windkanalversuche. Der Sichelflügel wurde so konstruiert, dass er ein neu entworfenes Tragflügelprofil unter realitätsnahen Bedingungen simuliert. Dadurch tragen die gewonnenen Erkenntnisse auch dazu bei, numerische Verfahren zur Vorhersage verschiedener Transitionsszenarien, also den laminar turbulenten Umschlag der Grenzschicht, zu verbessern.

Dreidimensional gekrümmte Absaugoberflächen schnell und kostengünstig herstellen

Für die Drucker war die Herstellung der besonders feinen Mikroperforation mit einem Durchmesser von unter 250 Mikrometern eine Herausforderung. Hendrik Traub: „Das Finden einer geeigneten Perforationsgeometrie hat entsprechend einen großen Teil unserer Forschungsarbeit ausgemacht. Die Möglichkeit, solche Oberflächen zu drucken, erlaubt jetzt dreidimensional gekrümmte Absaugoberflächen schnell und kostengünstig herzustellen. Das ist sowohl für Segel-, Leicht- und Verkehrsflugzeuge als auch für die Wissenschaft interessant.“

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