Flug in Gefahr?

Alles schien normal. Testpilot Bill Park zog den einstrahligen Lockheed XF-104 „Starfighter“ in den blauen Himmel über Kalifornien. Plötzlich begann der Düsenjäger zu vibrieren, immer stärker. Binnen weniger Sekunden verlor Park die Kontrolle über die Maschine: Das Leitwerk hatte plötzlich zu flattern begonnen und trennte sich vom Flugzeugrumpf. Die Maschine stürzte ab. Bill Park konnte sich mit dem Schleudersitz retten.

Vorsicht: Flatterschwingungen!

Ein Flugzeug kann in der Luft sein stabiles Flugverhalten plötzlich völlig verändern: Erhöht der Pilot die Geschwindigkeit um nur fünf oder zehn Kilometer pro Stunde, wird der Flieger instabil. Dabei kommt es zu einer Überlagerung von Eigenschwingungen der Tragfläche oder des Leitwerks, so dass die Schwingungen sich verstärken können, bis die Konstruktion auseinander bricht.

Der Standschwingungsversuch

Da ist es gut, wenn man bereits am Prototyp noch auf dem Boden einen speziellen Test durchführen kann: den Standschwingungsversuch. Dabei wird das gesamte Flugzeug auf sein Schwingungsverhalten getestet. Im DLR_School_Lab könnt ihr solch einen Versuch durchführen!

Standschwingungs-Test: „Solar Impulse“ im Computer.
Bild: DLR (CC-BY 3.0).

Regt dafür das Modell eines Flugzeugflügels mittels eines Frequenz-Generators zum Vibrieren an! Stellt die Erregerfrequenz so ein, dass sie einer der Eigenfrequenzen des Flügels entspricht. Was passiert? Die Wechselkraft an der Tragfläche führt zu einer Resonanzschwingung des Flügels bis zu einer Maximal-Amplitude. Solche Resonanzen – auch durch Vibrationen des Motors möglich – zeigen den Ingenieuren, welche Eigenschwingungen des Flugzeugs wichtig sind und gemessen werden müssen, um eine Flatter-Katastrophe in der Luft zu verhindern.

Der Sand bringt es an den Tag

Der Sand bringt es an den Tag. Bild: DLR

In unserem Experiment zum Flatterverhalten von Flugzeugen arbeiten wir mit feinem Sand. Ihr streut ihn auf den vibrierenden dunklen Flügel. Schwingt der Flügel in Resonanz, ordnet sich der Sand sofort in einem bestimmten Muster an. Dann überlegen wir gemeinsam mit euch, welche Aussagen damit über das Schwingungsverhalten des Flugzeugs gemacht werden können. Abschließend bringt ihr eine zusätzliche Masse unter dem Flügel an – in der Realität etwa ein Triebwerk: Was wird passieren?

Wie die Profis

Ihr lernt, durch Feineinstellung des Erreger-Signals am Frequenz-Generator bis auf 1/100 Hertz genau die Eigenfrequenzen zu bestimmen und die Schwingungsform des Flügels zu beschreiben! Damit könnt ihr das Schwingungsverhalten der Konstruktion verstehen und gezielt verändern! Und macht so den ersten Schritt zum Flugzeug-Ingenieur …