Der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelte verformbare Flügel flog erstmals, um die adaptiven Flugfähigkeiten von Drohnen zu überprüfen

Stellen Sie sich vor, das Flugzeug ist gestartet, Sie schauen aus dem Fenster und stellen plötzlich fest, dass sich die Flügel wellenartig bewegen, drehen und lautlos ihre Form ändern – die meisten Passagiere werden wahrscheinlich sofort nervös. Doch genau das testen deutsche Ingenieure mit einer neuen Technologie: einem Prototyp eines verformbaren Flügels, der sich während des Fluges in Echtzeit „verwandeln“ kann.

Dieses vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleitete Projekt mit dem Codenamen morphAIR zielt darauf ab, eine optimierte Anpassungsfähigkeit in der Luft einzuführen, ähnlich wie bei Vögeln und Fischen, um Flugzeuge effizienter und einfacher zu steuern. In der Natur können fliegende und schwimmende Lebewesen oft äußerst feine und kontinuierliche Anpassungen an der gesamten Flügeloberfläche oder dem gesamten Körper vornehmen; Vögel können komplexe Änderungen der Flügelspannweite, Krümmung und Drehung vornehmen, und Fische können durch koordinierte Bewegungen von Rumpf und Flossen einen effizienten Antrieb und eine effiziente Steuerung erreichen. Im Gegensatz dazu sind herkömmliche Flugzeuge auf starre Flügel und separate Ruderflächen wie Klappen, Querruder und Ruder angewiesen, um die Fluglage zu ändern. Diese segmentierte Struktur erhöht die mechanische Komplexität, das Gewicht und den Wartungsaufwand und verursacht gleichzeitig Lärm und zusätzliche aerodynamische Verluste.

Der Grund, warum eine solche Starrflügel- und separate Steuerflächenstruktur in den letzten Jahrzehnten zum Industriestandard wurde, ist nicht, dass sie perfekt ist, sondern dass es sich um einen technischen „Kompromiss“ handelt. Eine für den Start geeignete Tragfläche ist nicht für den Reiseflug geeignet, und eine für den Reiseflug geeignete Tragfläche ist nicht für die Landung geeignet; Eine für eine bestimmte Geschwindigkeit, eine bestimmte Höhe oder einen bestimmten Manövrierzustand geeignete Flügelform wird unter anderen Betriebsbedingungen oft nicht optimal. Bestehende Tragflächen von Zivilflugzeugen sind „moderat“ auf eine Vielzahl typischer Betriebsbedingungen ausgelegt: um in möglichst vielen Szenarien „ausreichend, aber nicht zu schlecht“ zu sein, anstatt in jedem einzelnen Szenario extrem optimiert zu sein.

Das DLR versucht, sich von diesem Kompromiss zu lösen und stattdessen „Ingenieuranpassungsfähigkeit“ in den Vordergrund zu stellen. Beim morphAIR-Konzept können sich die Flügel in verschiedenen Flugphasen aktiv verformen: um einen höheren Auftrieb bei Start und Landung zu erzielen, den Luftwiderstand im Reiseflug zu verringern, das Ansprechverhalten in Kurven zu verbessern und die Stabilität in Turbulenzen zu erhöhen. Zu diesem Zweck installierte das DLR einen neuen verformbaren Flügel an einem unbemannten Testflugzeug namens PROTEUS und führte Vergleichstests neben herkömmlichen Flügeln durch, um die Flugtauglichkeit und Integrationswirkung des Systems zu überprüfen.

Der morphAIR-Flügel besteht aus vollständig faserverstärktem Verbundmaterial mit integrierten „Morphing-Segmenten“, die an der Hinterkante eine kontinuierliche Biegung ermöglichen. Dieses Teil nutzt HyTEM (Hyperelastic Trailing Edge Morphing), ein vom DLR unabhängig entwickeltes hyperelastisches Hinterkantenverformungssystem, das eine sanfte Verformung ohne offensichtliche Faltlinien und Lücken erreichen kann. Das Konzept ersetzt herkömmliche Klappen und Querruder durch mehrere kleine Aktuatoren, die über die gesamte Spannweite verteilt sind, erklärt Projektleiter Martin Radestock vom DLR-Institut für Leichtbausysteme. Diese Aktuatoren können das Tragflächenprofil an zehn Positionen fein justieren, ohne segmentierte Lücken auf dem Tragflächenprofil zu erzeugen, wodurch der Profilwiderstand reduziert und die gesamte aerodynamische Leistung und Flugdynamik verbessert werden, während gleichzeitig der Auftrieb, der induzierte Widerstand und das Steuermoment verändert werden.

Das wahre Potenzial des verformbaren Flügels kann nur durch intelligente Steuerungssysteme freigesetzt werden. Das DLR hat hierfür ein KI-gestütztes Flugsteuerungssystem entwickelt, das speziell auf diese hochvariablen Flügelbewegungseigenschaften ausgelegt ist. Während des Fluges überwacht der adaptive Algorithmus kontinuierlich die tatsächliche Reaktion des Flugzeugs und vergleicht sie mit dem trainierten Referenzmodell. Sobald abnormale Bedingungen wie Turbulenzen, lokale Schäden oder der Ausfall eines Aktuators erkannt werden, verteilt das System die Steueranweisungen in Echtzeit im gesamten Flügel neu, um einen stabilen Flug aufrechtzuerhalten. Die Algorithmen wurden auch an simulierten Fehlerszenarien trainiert und sind in der Lage, Fehlermodi zu identifizieren und zu kompensieren, die in herkömmlichen Starrflügelarchitekturen zu einem schwerwiegenden Kontrollverlust führen würden.

Auch auf der Wahrnehmungsebene setzt das DLR auf eine geniale Lösung. Anstatt eine großflächige Sensormatrix auf dem Flügel anzubringen, entwickelte das Team eine Methode, um aus wenigen Messpunkten auf die aerodynamische Druckverteilung des gesamten Flügels zu schließen. Mit Hilfe dieser Rekonstruktionstechnologie kann das Flugsteuerungssystem den Luftströmungszustand um das Tragflächenprofil als Ganzes in Echtzeit „wahrnehmen“, das rekonstruierte Druckfeld mit dem erwarteten Zustand vergleichen, lokale Störungen automatisch erkennen und aktiv darauf reagieren und diese unterdrücken, bevor sie sich verstärken.

Durch die Zusammenarbeit von verformbaren Flügeln, KI-Flugsteuerung und Druckfeld-Rekonstruktionstechnologie verfügt der morphAIR-Flügel über die Fähigkeit, seinen eigenen Flugstatus gewissermaßen zu „fühlen“ und zu „denken“. Es wird von Forschern als einer der Flugzeugflügelversuche beschrieben, die der Anpassungsfähigkeit der Flügeloberfläche eines Vogels bisher am nächsten kommen. Derzeit überprüft der Flugtest der mit dieser Technologie ausgestatteten PROTEUS-Drohne hauptsächlich die grundlegende Lufttüchtigkeit des Systems sowie die Integration und Koordination zwischen verschiedenen Subsystemen und legt damit den Grundstein für weitere Optimierungen und Anwendungserweiterungen in der Zukunft.

Obwohl es in absehbarer Zukunft schwierig sein wird, ähnliche verformbare Flügel in große Verkehrsflugzeuge zu integrieren, bietet dies im Bereich der Drohnen vielversprechende Aussichten. Im nächsten Schritt plant das DLR weitere Testflüge auf der PROTEUS-Architektur mit einer Gesamtmasse von rund 70 Kilogramm, um die Machbarkeit einer Ausweitung der Technologie auf größere Plattformen zu demonstrieren. Das DLR hat zuvor ein Testflugvideo veröffentlicht, das den Verformungsprozess des Flügels während des Fluges in Echtzeit zeigt. Die Außenwelt kann über relevante Links die tatsächliche Leistung dieser neuen Generation der oberflächenvariablen Technologie in der Luft verfolgen.