Die Reduzierung des Energiebedarfs von Flugzeugen ist ein zentrales Element für eine nachhaltige Luftfahrt. Ein wesentlicher Hebel hierfür liegt in der Optimierung der aerodynamischen Effizienz und des Strukturleichtbaus des Flügels. Traditionelle Flügelkonzepte stoßen an ihre physikalischen und technischen Grenzen, weshalb innovative Ansätze wie Flügel mit hoher Streckung, Laminarhaltung und “Morphing Wing”-Technologien entscheidend sind, um den Widerstand zu reduzieren und die Effizienz zu steigern.
Ziel bis 2040:
Enabler für Hochgestreckten Flügel mit Effizienzsteigerung von 15% durch Widerstands- und Gewichtsreduzierung
Das übergeordnete Ziel ist es, den Energiebedarf des Flugzeugs bis 2050 um bis zu 50 % zu senken, wobei eine Reduktion unter anderem durch eine Steigerung der Flügelstreckung auf bis zu 15 erreicht werden soll. Dies erfordert die Entwicklung von Flügeln mit signifikant höherer Streckung zur Senkung des induzierten Widerstands sowie die Anwendung und Erweiterung der Laminarhaltung auf Flügel und Rumpf zur Reduktion des Reibungswiderstands. Ein weiteres Ziel ist die konsequente Nutzung von Leichtbaupotentialen und die Verbindung von Lastreduktionsmethoden mit neuartigen Sensor- und Regelungskonzepten.
Die technologischen Grundlagen umfassen die Entwicklung von Flügeln mit sehr hoher Streckung, wofür strukturelle, systemtechnische und konfigurative Maßnahmen wie passive Lastadaption, aktive Lastkontrolle und Abstrebungen notwendig sind. Die Laminarhaltung auf dem Flügel (mit Hochauftrieb, Reinhaltung und Enteisung) und die hybride Laminarhaltung auf dem Rumpf sind ebenfalls entscheidend. Der multidisziplinäre Systemleichtbau nutzt moderne Leichtbauwerkstoffe, neuartige Fügekonzepte, Structural Health Monitoring (SHM) und die Einbeziehung von Sekundärstrukturen. Multifunktionale Flügelklappensysteme inklusive dezentraler Antriebe und Rechnersysteme sind zentrale Elemente. Ergänzt wird dies durch aktive Lastminderungssysteme und smarte Wing Folding Systeme und Komponenten. Die konsequente Anwendung der numerischen Simulation in Verbindung mit der multidisziplinären Optimierung ist eine notwendige Voraussetzung.
Diese Systeme finden ihre Anwendung in der Entwicklung neuer Flugzeugkonfigurationen, insbesondere solcher, die alternative Energieträger wie Wasserstoff nutzen. Die Technologien für einen Laminarflügel (Ma>0,75) und hybride Laminarhaltung sollen im Flugversuch bis 2040 derart demonstriert werden, dass der serielle Einsatz ab 2050 möglich wird.
Die Umsetzung des “More / All Electric Aircraft” wird zu dezentralen, lokal adaptierten und optimierten Versorgungskonzepten führen, wobei der Flügel eine Schrittmacher-Rolle spielen kann, da hier große Verbraucher wie Fahrwerk, elektrische Klimaanlage, Flügelenteisung und Flugsteuerungssysteme räumlich nahe beieinander liegen. Neuartige Konzepte wie “Morphing Wing” werden im Zeitraum bis 2060 lokal zum Einsatz kommen und neue Technologien für Stellmechanismen und Strukturintegration erfordern.
Für die Neuausrichtung des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo ist dies von entscheidender Bedeutung, da es eine Reduktion des aerodynamischen Widerstands und des Gesamtgewichts ermöglichen, welche Schlüsselparameter für die Energieeffizienz sind. Die Forschung muss sich auf die technische Konsolidierung der Technologien für Flügel mit hoher Streckung bis 2030 konzentrieren, um bis 2040 die Zulassungs- und Serienreife zu erreichen. Des Weiteren ist die Erprobung und Zulassungsreife von multidisziplinärem Systemleichtbau und aktiven Lastreduktionsmethoden im Flugversuch von hoher Priorität. Eine besondere Herausforderung stellen bisher nicht erprobte Verknüpfungen von Einzeltechnologien der Aerodynamik, Aeroelastik, Struktur und Systeme zur Widerstandsreduktion, Lastminderung und Gewichtsreduktion dar.
Die Entwicklung hocheffizienter Flügelkonzepte ist ein Eckpfeiler der zukünftigen Luftfahrtstrategie. Durch die konsequente Umsetzung von Flügeln mit hoher Streckung, Laminarhaltung und intelligentem Leichtbau wird eine signifikante Reduzierung des Energiebedarfs und der Emissionen erzielt, was die Klimaziele der Luftfahrt maßgeblich unterstützt.
