Turbulente Strömungen sind durch ungeordnete Bewegungen gekennzeichnet. Sie führen zu erhöhtem Strömungswiderstand, verursachen dadurch am Luftfahrzeug einen gesteigerten Energieverbrauch und erhöhte Lärmemissionen. Eine gezielte Kontrolle turbulenter Strömung ist daher von großem Interesse, um die Effizienz des Gesamtflugzeugs zu steigern und Umweltbelastungen zu reduzieren.
Ziel bis 2035:
Reduktion des aerodynamischen Nullwiderstands um 5 %
Ziel bis 2045:
Das Ziel der Strömungskontrolle ist die Turbulenzen ganz zu verhindern, sie entsprechend zu verzögern oder gezielt zu manipulieren, um effizientere Strömungseigenschaften zu erreichen. Dabei soll der Energieeintrag durch die Kontrollmaßnahmen möglichst gering bleiben, während aerodynamische Effizienz und Systemleistung signifikant verbessert werden. Die Maßnahmen streben damit das Ziel der Widerstandsreduktion des Luftfahrzeugs an.
Die Kontrolle turbulenter Strömung lässt sich durch passive und aktive Methoden erzeugen. Passive Methoden wie Riblets oder optimierte Oberflächenstrukturen verändern die Strömung durch fest installierte geometrische Modifikationen. Aktive Verfahren nutzen externe Energiezufuhr – etwa durch Luftinjektion oder bewegliche Oberflächen – um gezielt auf instationäre Strukturen einzuwirken. KI-basierte Ansätze von adaptiven Regelungsverfahren stellen ebenfalls eine zukunftsorientierte Methode dar. Numerische Strömungssimulation (CFD) und experimentelle Untersuchungen im Windkanal sind essenzielle Werkzeuge zur Entwicklung und Validierung solcher Konzepte.
Die Kontrolle turbulenter Strömung findet breite Anwendung im Luftfahrtsektor. An allen Verkehrsflugzeugtypen kann durch gezielte Strömungskontrolle der Reibungswiderstand an den Tragflächen und anderen Komponenten reduziert, der Auftrieb verbessert oder der Strömungsabriss verzögert werden.
Für die Neuausrichtung des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo ergibt sich daraus ein breites Feld an Entwicklungsmöglichkeiten. Die Kontrolle turbulenter Strömung stellt einen zentralen Forschungsbaustein dar zur Erreichung der Ziele in den Bereichen Treibstoffeffizienz, Emissionsreduktion und Lärmminderung. Dabei müssen Aspekte wie die robuste Auslegung von Oberflächenstrukturen über einen breiten Betriebsbereich und die Gesamtbetrachtung von aktiven Systemen betrachtet werden, um ein innovatives Gesamtsystem zu realisieren. Die Entwicklung der eigentlichen Strukturen und Systeme sind ein ebenso ein zentraler Schwerpunkt zukünftiger Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wie effiziente Applizierungs- und Reparaturmethoden der Oberflächenstrukturen sowie ein effizienter Betrieb der aktiven Systeme.
Die Kontrolle turbulenter Strömung ist ein Schlüsselfaktor für nachhaltige technologische Entwicklungen im Luftfahrtsektor. Die Fortschritte auf diesem Gebiet werden es ermöglichen den Energieverbrauch und die Emissionen signifikant zu reduzieren, ohne dabei Leistungseinbußen am Gesamtsystem in Kauf zu nehmen. Angesichts der globalen Klimaziele wird die Erforschung und Umsetzung noch effizienterer Strömungskontrollstrategien künftig weiter an Bedeutung gewinnen.
