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So sieht das Flugzeug von übermorgen aus

Fliegen ist noch immer eine weltumspannende und effiziente Transportmöglichkeit – und vorerst gibt es keine schnellere Alternative. An der klassischen Flugzeugform mit Rumpf, Flügeln und Leitwerk hat sich in den letzten Jahrzehnten wenig verändert. Die Anforderungen der Zukunft zeichnen jedoch ein anderes Bild vom „gewohnten Flieger”. Neue Technologien heizen die Kreativität der Entwickler an.

Ein europäisches Konsortium mit 86 Industrie- und Forschungspartnern aus 16 Nationen hat sich in der Joint Technology Initiative (JTI) »Clean Sky« das Ziel gesetzt, die durch den wachsenden Luftverkehr verursachte Umweltverschmutzung zu minimieren. Kurzfristig werden dazu konventionelle Flugzeugkonfigurationen im Hinblick auf mögliche Kraftstoffeinsparungen untersucht. Dabei geht es um die Verringerung des Luftwiderstands durch die Laminartechnologie, eine Reduzierung des Gewichts durch Verbundwerkstoffe mit Kohlefasern und ein Minimieren des Geräuschpegels. Durch Propellerantriebe lassen sich ca. 20 Prozent und durch Laminartechnologie etwa 15 Prozent Kraftstoff einsparen. Bauweise und Werkstoffe ermöglichen immerhin fünf bis zehn Prozent Einsparung.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der nächsten Jahre sollen dazu beitragen, den CO2-Ausstoß um 50 Prozent, den NOx-Ausstoß um 80 Prozent zu reduzieren und die Lärmbelastung zu halbieren. Zudem wollen die Forscher weitere umweltschonende Verfahren und Materialen für Design, Herstellung, Betrieb und Recycling von Luftfahrzeugen entwickeln. Neben führenden Unternehmen der Luftfahrtbranche wie Airbus, Alenia, Dassault Aviation, EADS-CASA, Eurocopter, Liebherr-Aerospace, und Rolls Royce hat auch die Fraunhofer-Gesellschaft einen Sitz im Governing Board, dem Steuerungsgremium des Programms.

Weltweit arbeiten Forscher und Techniker an wegweisenden Flugzeugkonzepten, die jedoch erst in den kommenden Jahrzehnten umgesetzt werden.

Unterschiedliche Technologieansätze zielen auf einen Kompromiss zwischen ökonomischen und ökologischen Anforderungen. So entwickelt zum Beispiel das Bauhaus Luftfahrt in München, eine international ausgerichtete Ideenschmiede, Lösungen für Flugreisen und für den Lufttransport der Zukunft. Die Forschungsprojekte sind darauf gerichtet, das komplexe System der Luftfahrt ganzheitlich zu erfassen. Dabei finden technische, wirtschaftliche, gesellschaftliche und ökologischen Aspekte Berücksichtigung. Der eingetragene gemeinnützige Verein wurde im November 2005 von den Firmen EADS, Liebherr-Aerospace und MTU Aero Engines sowie vom Freistaat Bayern gegründet.

Die Visionen des Bauhaus Luftfahrt münden unter anderem in neue technische Lösungsansätze. Etliche bestehen aus innovativen Flugzeugkonzepten. Sie können frei entwickelt werden, weil sich das Kreativzentrum als Plattform für Innovationen abseits des Industriealltags versteht. Dabei bewegen sich die Wissenschaftler im Spannungsfeld zwischen technischer Machbarkeit, ökonomischer Realität und kreativen Freiräumen. Die daraus resultierenden innovativen Ansätze sollen der Industrie Impulse geben, um auf die prognostizierten Herausforderungen für den Luftverkehr der Zukunft reagieren zu können.

Eine dieser innovativen Technologien aus dem Bauhaus Luftfahrt wurzelt in einer völlig anderen Disziplin, nämlich in der Schifffahrt. Dort gibt es seit über 80 Jahren den Voith-Schneider-Antrieb, der ähnlich einem Quirl eine vertikale Drehachse besitzt. Der Voith-Schneider-Propeller (VSP) besteht aus Flügeln, die senkrecht ins Wasser ragen, sich auf einer Kreisbahn bewegen und individuell verstellt werden können. Dass der VSP Vortrieb erzeugt und daher auch in der Luftfahrt eingesetzt werden kann, ist nicht neu. Das Bauhaus Luftfahrt hat dieses Konzept jedoch um einen, mittig zu den VSP-Flügeln angeordneten, rotierenden Zylinder erweitert, der zusätzlichen Auftrieb erzeugt. Dieses neue Antriebssystem hat sich die Ideenschmiede bereits erfolgreich patentieren lassen. Das entsprechende Flugzeugkonzept ist ein völlig neuartiger Hubschrauber ohne herkömmliche Rotorblätter, dafür mit vier quer liegenden Schaufelrädern.

Ein besonderes Flugzeugkonzept der Zukunft aus dem Bauhaus Luftfahrt ist der Claire Liner, ein Airliner mit sauberem Antrieb (Claire = Clean Air Engine). Auch dieses Luftfahrzeug kombiniert bekannte technische Teillösungen zu einem neuartigen Ansatz. Im Zentrum der Entwicklung stehen zwei ins Flugzeugheck integrierte Triebwerke, deren Fans in einer als „Boxwing” bekannten Tragflächenanordnung montiert sind. Die externen Fans sind mittels Getriebe mit den Antrieben verbunden.

Durch diese Entkoppelung können der Wirkungsgrad der Triebwerke gesteigert sowie der Kerosinverbrauch und Geräuschpegel gesenkt werden. Ein weiterer Vorteil des Claire Liner: Die Tragflächen der Boxwing-Konstruktion verlaufen nicht mittig durch den Rumpf, sondern sind am Bug und Heck befestigt. Das schafft Platz für eine durch-gängige, doppelstöckige Passagierkabine. Im vorderen, spitz zulaufenden Teil des Rumpfes befindet sich nur ein Kabinendeck für die Business-Class. Diese Geometrie hat den Vorteil, dass eine laminare Strömung am Rumpf ermöglicht wird. Dadurch gewinnt der Claire Liner zusätzliche aerodynamische Effizienz.

Weiteres Innovationspotenzial sieht das Bauhaus Luftfahrt im Hyliner ESTOL (Extremely Short Take Off and Landing). Die Idee besteht darin, die auf der Oberseite der Tragflächen gleitende Luftströmung abzusaugen und nach hinten beschleunigt wieder abzugeben. Auf diese Weise kann einerseits eine laminare Luftströmung auf der Flügeloberfläche entstehen, die die aerodynamische Güte erhöht. Auf der anderen Seite wird an der hinteren Flügelkante zusätzlicher Schub erzeugt. Technisch wird dieses Powered-Lift-Prinzip durch im hinteren Drittel der Tragflächen integrierte Querstromgebläse realisiert, die fast über die komplette Flügel-spannweite verlaufen. Sie werden durch die auf den Flügeln montierten Triebwerke angetrieben. In der vorliegenden Konzeptidee sind die Fans nicht wie üblich vorne, sondern hinten an den Triebwerken angebracht (Pusher-Prinzip).
Ein weiterer Innovationsansatz basiert auf den Erfolgen der Zeppeline. Das Luftschiff-Konzept aus dem Bauhaus Luftfahrt begnügt sich jedoch nicht mit der Kombination aus durch Gas erzeugten Auf- und durch Propeller erzeugten Vortrieb. Vielmehr zeichnet es sich zusätzlich durch seine aerodynamische Geometrie aus, die weiteren Auftrieb erzeugt.
Somit handelt es sich bei dieser Konzeption um eine Mischung aus Luftschiff und Flugzeug, also um einen hybriden Airliner (HyLiner) mit herausragenden VTOL-Eigenschaften (Vertical Take-Off and Landing). Der Auftrieb wird ähnlich wie beim Zeppelin von Gasen wie Helium oder Wasserstoff erzeugt. Im Reiseflug funktionieren der dynamische Auftrieb und die Steuerung wie beim Flugzeug.

Für den Individualverkehr ist dagegen das Reisen mit Überschallgeschwindigkeit ein Konzeptansatz, den Studenten der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Hamburg (HAW), Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau, seit 2008 mit dem Projekt Ailos verfolgen. Ailos, benannt nach dem griechischen Gott des Windes, ist ein Hochgeschwindigkeits-Passagierflugzeug, das mit der doppelten Schallgeschwindigkeit Mach 2 und umweltschonendem Antrieben, zum Beispiel mit Wasserstoff, unterwegs ist. Da das Passagierflugzeug im Unterschall- und Überschallbereich eine gute Figur machen muss, haben die Studenten Matthias Heppa und Iraklis Moukas in ihre Planungen und Berechungen auch die mögliche Rumpfform einbezogen. Gerade für Überschallflugzeuge spielen Gewichts-, Querschnitts- und Platzreduzierung eine große Rolle, weil es beim Durchbrechen der Schallmauer zum Kompressibilitätseffekt kommt. Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Flugzeugs deutlich erhöht. Dieser Widerstand ist stark abhängig vom Gewicht und der Stirnfläche des Flugzeugs. Zudem erhöhen sich Dichte, statischer Druck und Temperatur beim Durchbrechen der Schallmauer sprunghaft. Deshalb wurde ein Passierflugzeug für 19 Personen und zwei Piloten in einem lang gezogenen schmalen Faserverbundrumpf entwickelt. Matthias Heppa erläutert: »Das knappe Platzangebot steht im Widerspruch zu einer möglichst komfortablen Kabine für gut betuchte Kunden. Deswegen haben wir uns überlegt, die Grundauslegung unserer Kabine zwischen den üblichen First- und Businessclass-Standards anzusiedeln und sie für diese Auslegung wirtschaftlich zu optimieren.«

Das Flugzeug kann in einer Höhe von 55.000 Fuß (16.764 Meter) über 8.300 Kilometer weit fliegen. Die aerodynamisch optimierte Bugspitze vermindert die Lärmbelästigung, und die beiden Triebwerke sind wartungs- und servicefreundlich angeordnet. Die außergewöhnliche Flügelform ist eine Kombination aus Trapez- und Pfeilflügel. Heppa. »Die Flügelform ist für sehr gute Überschall- und Unterschallflugeigenschaften ausgelegt und steht dem ausschließlich im Überschall eingesetzten Dreiecksflügel in nichts nach.« Ailos legt die Strecke von Frankfurt nach New York in dreieinhalb Stunden, die Entfernung von Los Angeles nach Tokio in vier Stunden zurück. Das bedeutet eine Halbierung der Flugzeiten. Besonders schnell sind Flüge über die Meere, da dort durchweg mit Überschall geflogen werden kann.

Studenten der HAW forschen in dem Projekt BWB AC20.30 seit einiger Zeit auch an einem Nurflügel-Großraumflugzeug, einem Blended Wing Body »Das Projekt AC20.30 stellt eine BWB-Konfiguration dar und entstand 2001 aus einer Zusammenarbeit von Studenten der Technischen Universität München und der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Fachbereich Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau«, blickt Werner Granzeier, Professor an der HAW, zurück. »Wir haben die Idee aufgegriffen, weil es erheblichen aerodynamischen Forschungsbedarf bei großen BWB-Flugzeug-Strukturen gibt.«

Die Vorteile von Nurflüglern gegenüber Schwanzflugzeugen sprechen für sich: geringer Widerstandsbeiwert, höhere Kurvenstabilität, leichterer Einbau von frei abstrahlenden Turbinen oder Druckpropellern, hohe Sicherheit gegenüber dem Spiralsturz, geringer konstruktiver Aufwand. Einen bedeutenden Vorteil bringt der stark verkürzte Rumpf, der in die Flügel integriert ist und so rund 40 Prozent des Auftriebs erzeugt. Diese Bauweise ermöglicht die gleiche Reichweite wie beim A380, benötigt dabei aber ein Viertel weniger Treibstoff, was auch die Schadstoffemissionen verringert. Heute ist es zudem möglich, den Treibstoff mit computergestützten Flugsteuerungssystemen umzupumpen, wenn sich während des Fluges die Schwerpunktlage durch den Kraftstoffverbrauch ändert. Ein weiterer hochinteressanter Aspekt ist die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger.

»Die großen tiefgekühlten Tanks können optimal in die BWB-Flügel integriert werden – eine technische Lösung, die in herkömmlichen Flugzeugstrukturen nicht mehr realisiert werden kann«, stellt Werner Granzeier fest. Somit sind reale Ansätze zur Lösung der Umweltprobleme in der Luftfahrt bereits jetzt klar erkennbar. In weiteren Versuchen möchten die Hamburger Entwickler die Motoren auf den hinteren Rumpf bauen, um den Lärm deutlich zu reduzieren. Flugeigenschaftsprobleme wie das Abkippverhalten oder die Trudelneigung von Nurflüglern könnten durch einen nach vorn verlagerten Schwerpunkt verbessert werden.

Auch Stuttgarter Ingenieure arbeiten an einem Nurflügler-Modell. Die ungewöhnlichen Rundungen, die der Maschine ihr futuristisches Aussehen geben, kamen vom Flugzeughersteller Airbus. Der hatte im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Vela (»Very Efficient Large Aircraft«) die optimale Form eines Nurflüglers berechnet; lediglich die Spannweite und die theoretische Zahl der Passagiere – 750 in einer Ebene – waren vorgegeben. Um zu erkunden, wie eine optimale Lösung aussehen könnte, seien daher zunächst zwei Extremkonfigurationen entworfen worden, erinnert sich Joachim Loerke vom »Future Projects Office« des Flugzeugherstellers. Beim ersten der beiden Nurflügler beginnen die eigentlichen Tragflächen kurz hinter dem Cockpit, beim Vela 2 sitzen die Tragflächen weit hinten.

- Janette Junghanns, Christian Klein -

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