Sie sind eine Qual für Menschen, die unter Flugangst leiden: Selbst große, schwere Flugzeuge werden von heftigen Turbulenzen kräftig geschüttelt. Die Erfindung eines Dissertanten an der TU Wien soll dieses Problem nun deutlich verringern: Fluggeräte werden mit speziellen Sensoren ausgestattet und sobald eine Turbulenz erkannt wird, kann man mit Hilfe einer ausgeklügelten Regelungstechnik gegensteuern. Simulationen und Flugexperimente zeigen, dass die Stabilität der Flugbahn und somit der Komfort der Passagier_innen erheblich verbessert werden kann.
Sogar noch bessere Ergebnisse könnte man in Zukunft durch neuartige Flügelkonstruktionen erzielen, die ihre Geometrie verändern und an die Turbulenzen anpassen können, ähnlich wie Flügel von Vögeln. Die neue Steuerungstechnik zur Lösung von Turbulenzproblemen wird nun auf einer der wichtigsten Luftfahrtmessen, dem Pariser Aérosalon von 17. bis 23. Juni erstmals dem Fachpublikum öffentlich präsentiert.
Turbulenzen: ausgleichen statt ausweichen
Heute versucht man, Turbulenzen vorherzusagen und besonders turbulente Luftregionen zu umfliegen. Das kostet Zeit, Geld und Treibstoff. In Zukunft soll es möglich sein, Turbulenzen direkt zu durchfliegen, ohne schwere Erschütterungen zu erleiden – und zwar mit den Flugzeugen, die es heute bereits gibt. Wenn man nämlich ihre Flügelklappen auf die richtige Weise ansteuert, kann man die Auswirkung von Turbulenzen drastisch reduzieren.
„Zunächst werden in Fühlern vor dem Flugzeug Sensoren eingebaut, die den Luftdruck messen und dadurch Turbulenzen registrieren“, erklärt András Gálffy, Erfinder und nunmehr Assistent am Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik der TU Wien. „Sekundenbruchteile später, wenn die Flügel in diese Luftregion gelangen, kann man mit Hilfe einer intelligenten Ansteuerung der Aktorik, die bei uns am Institut entwickelt worden ist, bereits gegensteuern“, sagt Prof. Georg Schitter, Leiter der Forschungsgruppe für intelligente mechatronische Systeme. Kleine, genau der Turbulenz entgegenwirkende Schwingungsbewegungen der Flügelklappen genügen, um den Auftrieb zu variieren und damit die Schwingungen des Flugzeugs deutlich zu dämpfen. „Man kann sich das so vorstellen wie bei geräuschunterdrückenden Kopfhörern mit noise cancelling: die Störungen, die von außen auf das System einwirken, werden genau gegengleich erzeugt und heben sich insgesamt auf. Das Ergebnis: ein turbulenzfreier Flug“, erklärt András Gálffy.
Durch Simulationsrechnungen und unbemannte Testflüge konnte man zeigen, dass sich die Störeffekte durch Turbulenzen mit der neuen Technik um über 80 % verringern lassen. Die neue Methode wurde bereits zum Patent angemeldet. Nun soll durch Tests an bemannten Flugzeugen gezeigt werden, dass sich die Ergebnisse auf die kommerzielle Luftfahrt übertragen lassen.
Besonders interessant ist die Technik auch für senkrecht startende Fluggeräte – dort wirken der vertikale Schub und die neue Auftriebsregelung in dieselbe Richtung, sodass sich eine besonders gute Dämpfung ergibt.
Weitere Schritte sind geplant
Noch besser könnte man die Auswirkung von Turbulenzen abfedern, wenn man noch drastischere Möglichkeiten hätte, steuernd in die Aerodynamik der Flügel einzugreifen. Das soll bei neuen Flugzeugtypen gelingen, indem man speziell adaptive Elemente in die Flügel einbaut. „Wenn man auf kurzer Zeitskala nicht nur die Flügelklappen ansprechen, sondern sogar die Geometrie des Flügels verändern könnte wäre unsere Methode noch einmal deutlich wirkungsvoller“, sagt András Gálffy. „Das streben wir nun mit adaptiven Flügeln an, mit sogenannten Morphing Wings, die Vogelflügeln nachempfunden sind.“ Weitere Forschung dazu ist bereits geplant.
Erstmals wird diese Flugzeug-Steuerungstechnik nun öffentlich präsentiert – und zwar bei der Airshow in Paris, der SIAE, vom 17. bis 23. Juni. Neben Know-how des Institutes für Automatisierungs- und Regelungstechnik werden auch Innovationen aus vier weiteren Instituten aus drei Fakultäten der TU Wien sowie Serviceangebote der Technischen Versuchs- und Forschungsanstalt, die gemeinsam von TU Wien und dem TÜV Austria betrieben wird, der internationalen Luftfahrtindustrie vorgestellt:
Getriebe Know-how und ein neuartiger Antrieb für Drehflügler mit variablen Rotordrehzahlen – konform mit den Sicherheitsvorschriften von EASA und FAA
Bearbeitung für höchste Qualität in der Luftfahrt: verbesserte vibrationsunterstützte Bearbeitung (VAM), deterministisches Oberflächenhämmern (MHP), hochqualitative Bearbeitung von CFK-Bauteilen, Stacks und Inconel
Prüfung und Inspektion von Flugzeugbauteilen in TU-eigenen Labors sowie durch die TVFA und in Kooperation mit dem TÜV Austria: Mechanische Komponenten unter realen Belastungen, großes EMV-Prüflabor und Prüffeld
Aktive Turbulenzunterdrückung – um bis zu 10% reduzierte Werte von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen, höhere Sicherheit und verbesserter Reisekomfort
Multiphysikalische Simulationssoftware NGSolve für komplexe Geometrien und Effekte in der Luftfahrttechnik – leicht in den bestehenden Workflow integrierbar
Hochleistungspolymere, die bis 650 °C hochstabil sind, auf umweltfreundlich hergestellten Polyimiden basieren und besonders geringes Gewicht aufweisen – was sie prädestiniert für vielfältigen Einsatz in der Luft- und Raumfahrt
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