Hybridflügel verbraucht halb so viel Treibstoff wie ein Standardflugzeug

Luft- und Raumfahrtingenieure wissen seit langem, dass der Verzicht auf einen herkömmlichen röhrenförmigen Rumpf zugunsten einer Mantarochen-ähnlichen Hybridflügelform den Treibstoffverbrauch drastisch senken könnte. Ein Team der NASA hat nun eine Herstellungsmethode demonstriert, die verspricht, das Design praxistauglich zu machen.



Improvisieren: Die NASA hat einen ferngesteuerten Prototyp ihres Hybridflügeldesigns gebaut.

In Kombination mit einem extrem effizienten Triebwerkstyp, einem sogenannten Ultra-High-Bypass-Verhältnis-Triebwerk, könnte das Hybridflügeldesign halb so viel Treibstoff verbrauchen wie konventionelle Flugzeuge. Obwohl es 20 Jahre dauern kann, bis die Technologie auf den Markt kommt, könnte die bei der NASA entwickelte Herstellungsmethode dazu beitragen, konventionelle Verkehrsflugzeuge innerhalb der nächsten acht bis zehn Jahre zu verbessern, schätzt Fay Collier, ein NASA-Programmmanager.





Das Fertigungsverfahren senkt das Gewicht von Strukturbauteilen eines Flugzeugs um 25 Prozent, was den Treibstoffverbrauch deutlich senken könnte. Die Fortschritte sind der Höhepunkt eines dreijährigen 300-Millionen-Dollar-Aufwands der NASA und Partnern wie Pratt & Whitney und Boeing.

Es gibt zwei Hauptherausforderungen bei der Konstruktion von Nurflügeln. Eine ist, wie man ein solches Flugzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten steuert. Die NASA ging dies zuvor an, indem sie ein sechs Meter breites ferngesteuertes Testflugzeug (die X-48B) baute, um Möglichkeiten zur Steuerung von Hybridflügeln zu demonstrieren. Basierend auf diesen Tests und Windkanaltests baute die NASA ein größeres ferngesteuertes Flugzeug, das letztes Jahr mit Testflügen begann.

Die zweite Herausforderung besteht darin, eine maßstabsgetreue Version des Flugzeugs mit Druckkabinen zu bauen, die strukturell einwandfrei ist. Ein Grund, warum Rohrflugzeuge bestehen blieben, ist, dass es relativ einfach ist, ein Rohr zu bauen, das den während des Flugs von außen auf es einwirkenden Kräften standhält und gleichzeitig den Kabinendruck aufrechterhält. Das Hybrid-Flügeldesign beinhaltet einen flacheren, kastenartigen Rumpf, der mit den Flügeln verschmilzt. Die flachere Struktur, die einige fast rechte Winkel umfasst, ist viel schwieriger so zu bauen, dass sie stark und leicht genug ist, um praktisch zu sein.



Der Herstellungsprozess der NASA beginnt mit vorgeformten Kohlenstoff-Verbundstäben. Die Stäbe sind mit Kohlefasergewebe überzogen und vernäht. Anschließend wird Stoff über Schaumstoffstreifen genäht, um Querträger zu bilden. Das Gewebe ist mit einem Epoxid imprägniert, um eine steife Verbundstruktur zu schaffen.

Teile eines mit dieser Technik gebauten Rumpfes wurden getestet und es wurde gezeigt, dass sie den Kräften standhalten, die auf ein fertiges Flugzeug ausgeübt würden. Tests zeigten auch, dass die Nähte, mit denen die Struktur hergestellt wurde, die Ausbreitung von Rissen verhinderten, wenn genug Druck ausgeübt wurde, um ein Versagen der Teile zu verursachen – ein Schlüssel zur Vermeidung eines katastrophalen Versagens im Flug.

Die Forscher bauen jetzt eine 9 Meter breite, zweistufige Druckstruktur, die verwendet werden soll, um den Herstellungsansatz zu validieren. Diese Struktur soll bis 2015 fertiggestellt sein.

Um eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um 50 Prozent zu erreichen, muss das Hybrid-Flügeldesign ein fortschrittliches Triebwerksdesign beinhalten. Collier sagt, dass Ultra-High-Bypass-Triebwerke gut passen. Bei einer Konstruktion mit ultrahohem Bypass ist der Frontlüfter des Motors viel größer als der Kern des Motors, in dem die Luft komprimiert wird und die Verbrennung stattfindet. Es kann schwierig sein, solch große Ventilatoren unter dem Flügel zu montieren, da Triebwerke in den meisten herkömmlichen Verkehrsflugzeugen montiert sind. Das Hybrid-Flügeldesign beinhaltet die Montage der Triebwerke oben auf dem Flugzeug und nicht unter den Flügeln. (Das Top-Mount-Design reduziert auch den Geräuschpegel.)



Die NASA hat Pratt & Whitney dabei geholfen, Prototypen von Ultra-High-Bypass-Triebwerken zu entwickeln, die im nächsten Jahr erstmals kommerziell eingesetzt werden sollen, beginnend mit Bombardiers Flugzeugen der C-Serie. Die NASA optimiert die Triebwerke weiter, um die Vorteile des Top-Mount-Designs im Hybridflügelflugzeug zu nutzen.

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