Steigerung der Effizienz ist ein Ziel in der Entwicklung von modernen Flugzeugen. Elastisch verformende (morphende) Strukturen bieten die Möglichkeit einer Effizienzsteigerung durch Gewichtsreduktion. Minimierung der Anzahl bewegter Bauteile oder die Möglichkeit aktiver Lastkontrolle sind Optionen einer Gewichtsreduktion.
Das EU Projekt MANTA (MovAbles for Next generaTion Aircraft) adressiert morphende Strukturen unter diesem Aspekt. Wir haben ein Labormuster einer Hinterkantenklappe für ein Winglet entworfen und gebaut. Diese Klappe ermöglicht Lastbeeinflussung an der Flügelspitze durch das FAMoUS Prinzip, wobei FAMoUS für Fluid-Actuated Morphing Unit Structure (Fluid betriebene, morphende Einheitszellen) steht.
Diese Zellen sind Druckzellen, die aus einer Kombination von versteifenden Ringen und einem Elastomer aufgebaut sind. Durch die Beaufschlagung mit Druck dieser Zellen durch ein Fluid ändern sie ihre Länge und können dabei Arbeit verrichten. Kombiniert man zwei solche Zellen übereinander und beaufschlagt sie mit unterschiedlichem Druck, so ergibt sich daraus eine Biegung der Struktur, die die gewünschte Kontrollflächenbewegung realisiert.
Die Vorteile des FAMoUS Prinzips liegen darin, dass:
- Struktur und Aktuator ein Bauteil sind und dadurch eine glatte Oberfläche entsteht, die entgegen herkömmlichen Klappen mit Gelenken und Hydraulikzylindern keinen zusätzlichen Widerstand generieren
- es auch in sehr beengten Bauräumen realisiert werden kann.
Das gebaute Labormuster hat eine Spannweite von circa 1 m und ermöglicht die Untersuchung von Materialauswahl, Auslegung und Fertigung einer solchen Struktur. Ein Hydrauliksystem ergänzt die Klappenstruktur, das die Auslenkung der Klappe auf vorgegebene Ausschlagwinkel regeln kann und somit die Klappe tatsächlich als Steuerfläche einsetzbar macht. Das Hydrauliksystem ist als elektrisch betriebenes System konzipiert, das dezentral z.B. auch im Flügel platziert werden kann. Die Untersuchungen des Antriebssystems schließen luftfahrtüblich Redundanzen der Antriebe zur Sicherheit ein.
Die durchgeführten Versuche haben erfolgreich nachgewiesen, dass die Designparameter einer solchen Klappe verstanden sind, der Bau mit luftfahrtgeeigneten Materialien möglich ist und die erforderlichen Auslenkungen erreicht werden können.
Auslenkung der Hinterkantenklappe durch verschiedene Drücke in den oberen und unteren Druckzellen.
Die nächsten Schritte zur Erhöhung des technischen Reifegrades sind:
- Eine Umsetzung in voller Größe
- Experimentelle Untersuchungen des Verhaltens bei von der Raumtemperatur abweichenden Bedingungen
- Experimentelle Simulation von Luftlasten
- Lebensdaueruntersuchungen
Die hier vorgestellten Arbeiten wurden durch das Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) mit dem Förderkennzeichen 724558 (MANTA – „Movables for Next Generation Aircraft“) gefördert. Das JU wird durch das Horizon 2020 Forschungsprogramm der Europäischen Union getragen.
