14. August 2015

Bio­nik in der Luft­fahrt: Ve­nus­flie­gen­fal­le als Vor­bild für Lan­de­klap­pen

Ve­nus­flie­gen­fal­le
Bild 1/5, Credit: J.W. Webb (CC BY-SA 2.0).

Venusfliegenfalle

Die Ve­nus­flie­gen­fal­le dient mit der Struk­tur ih­rer Fang­blät­ter als Vor­bild für die neu­ar­ti­ge spal­ten­lo­se Lan­de­klap­pen­tech­no­lo­gie. Sie kann ih­re Fang­blät­ter sehr schnell zu­sam­men­klap­pen, um die flie­gen­de In­sek­ten­beu­te zu fan­gen. Das schafft die fleisch­fres­sen­de Dio­naea Mus­ci­pu­la durch ei­ne Druck­än­de­rung in den Blatt­zel­len und ei­ner evo­lu­tio­när op­ti­mier­ten Geo­me­trie der Blatt­form.
Lan­de­klap­pen­de­mons­tra­tor
Bild 2/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0).

Landeklappendemonstrator

Mo­du­lar auf­ge­bau­ter Lan­de­klap­pen­de­mons­tra­tor zur Rea­li­sie­rung form­va­ria­bler Ober­flä­chen oh­ne Spal­te
Me­cha­ni­sche Lan­de­klap­pen heu­ti­ger Ver­kehrs­flug­zeu­ge
Bild 3/5, Credit: WTD61.

Mechanische Landeklappen heutiger Verkehrsflugzeuge

Die Klap­pen an den Trag­flä­chen heu­ti­ger Ver­kehrs­flug­zeu­ge wer­den durch ei­ne auf­wen­di­ge Me­cha­nik be­tä­tigt. De­ren Ver­klei­dung so­wie ent­ste­hen­de Spal­te beim Aus­fah­ren er­hö­hen den Kraft­stoff­ver­brauch und tra­gen zum Flug­lärm bei. Hier ist das DLR-For­schungs­flug­zeug A320 ATRA bei Flug­ver­su­chen im Lang­sam­flug zu se­hen.
Ver­schie­de­ne Stel­lun­gen des Lan­de­klap­pen­de­mons­tra­tors
Bild 4/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0).

Verschiedene Stellungen des Landeklappendemonstrators

Der Lan­de­klap­pen­de­mons­tra­tor kann über die zu­ge­führ­te Druck­luft ver­schie­de­ne ae­ro­dy­na­mi­sche For­men für den Rei­se­flug oder den Lan­de­an­flug an­neh­men. Hier ist ei­ne Aus­wahl ver­schie­de­ner Stel­lun­gen dar­ge­stellt.
Be­we­gungs­prin­zip
Bild 5/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0).

Bewegungsprinzip

Funk­ti­ons­prin­zip des Lan­de­klap­pen­de­mons­tra­tors PACS (Pres­su­re Ac­tua­ted Cel­lu­lar Struc­tu­res) am Bei­spiel ei­nes dop­pel­rei­hi­gen Krag­arms so­wie im De­tail die Ver­schluss­lö­sung ei­ner PACS-Zel­le mit form­va­ria­bler Ver­schluss­mem­bran.

Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) forschen an einer verformbaren Flügelhinterkante, die sich stufenlos in beliebige Zielformen bewegen kann und klassische Landeklappen überflüssig macht. Die Klappen an den Tragflächen heutiger Verkehrsflugzeuge werden durch eine aufwendige Mechanik betätigt. Deren Verkleidung sowie entstehende Spalte beim Ausfahren beeinträchtigen die Aerodynamik, erhöhen dadurch den Kraftstoffverbrauch und tragen zudem zum Fluglärm bei. Die neue Technologie ist dagegen nach dem Bewegungsvorbild der Venusfliegenfalle flexibel. Sie ermöglicht einen spaltfreien Übergang zwischen Tragfläche und Klappen.

Effizient durch Druck

Bei der Suche nach einer technischen Möglichkeit, die Tragflächenhinterkante während des Fluges ideal verformen zu können, hat sich die Venusfliegenfalle als erstaunlich guter Ideengeber herausgestellt. Das verwundert aber nur auf den ersten Blick. "Die fleischfressende Dionaea Muscipula muss sehr schnell ihre Fangblätter zusammenklappen können, um ihre fliegende Insektenbeute zu fangen", sagt Benjamin Gramüller vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik. "Das schafft Sie durch eine Druckänderung in den Blattzellen und einer evolutionär optimierten Geometrie der Blattform." Untersuchungen haben gezeigt, dass die Venusfliegenfalle durch Wasserdruck eine Vorspannung aufbaut, die sie im Auslösefall, wenn etwa eine Fliege die Falle betritt, schnell entladen kann. Dann schnappt die Falle zu. "Das Bewegungsprinzip der Pflanze nutzen wir nun für Luftfahrtanwendungen", so Gramüller.

Bewegung in zwei Zellschichten

Der DLR-Forscher und seine Kollegen haben die Idee des Zellverbundes, der unter Druck eine gewünschte Form annimmt, auf die Flügelhinterkante übertragen. Sie entwickelten dafür weltweit erstmals einen Landeklappendemonstrator, der mit Druckluft betrieben wird und flexibel aerodynamische Formen für den Reiseflug oder den Landeanflug annehmen kann. Die Kunststoffzellen im Demonstrator haben verschiedene Größen, um der Form einer Flügelhinterkante gerecht zu werden. Zwei Zellschichten liegen übereinander. "Um die Kante anzuheben, geben wir Druckluft in die untere, um sie abzusenken in die obere Zellschicht", erklärt Gramüller. "Die Druckluft ist durch das bestehende Druckluftsystem eines Flugzeugs später leicht verfügbar." Mit der neuartigen Flügeltechnologie konnten die DLR-Forscher bereits zeigen, dass sich abhängig von der zugeführten Druckluft die gewünschten Klappenformen für Start und Landung ergeben.

Den ausgefahrenen Landeklappen verdankt ein Flugzeug bei langsamer Geschwindigkeit durch einen erhöhten Auftriebsbeiwert in der Luft zu bleiben. Die Klappen vergrößern die Wölbung der Tragflächen im Langsamflug und kompensieren so den Geschwindigkeitsverlust.

Zukünftig planen die Wissenschaftler, ihre neue Klappentechnologie im Windkanal zu testen. Das Forschungsvorhaben PACS (Pressure Actuated Cellular Structures) wird in Zusammenarbeit mit Airbus Defence and Space durchgeführt.

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