Luftfahrt: Ohne Luftreibung in die Zukunft SE²A entwickelt laminaren Flügel durch 3D-gedruckte Absaugpaneele
Im Exzellenzcluster SE²A für nachhaltige Luftfahrt der Technischen Universität Braunschweig ist es gelungen, Flugzeugflügel aerodynamisch effizienter zu gestalten. Durch den Einsatz speziell entwickelter, 3D-gedruckter Absaugpaneele konnte die Grenzschicht – also der Bereich der Luftströmung unmittelbar an der Tragfläche – gezielt stabilisiert und optimiert werden.
Der Sichelflügel in der Messstrecke des Niedergeschwindigkeits-Windkanal Braunschweig. Das 3D-gedruckte Absaugpaneel wurde im oberen Drittel des Flügels installiert und ist in grau zu erkennen. Bildnachweis: Hendrik Traub/TU Braunschweig
Ziel des Exzellenzclusters für nachhaltige Luftfahrt ist unter anderem die Reduktion von Emissionen und des Energieverbrauchs. Eine Rolle spielt dabei das Strömungsverhalten von Flugzeugen, insbesondere an den Tragflächen. Für Experimente dazu nutzen die Forschenden den Niedergeschwindigkeits-Windkanal Braunschweig (NWB) der Stiftung Deutsch-Niederländische Windkanäle (DNW). Der Windkanal ermöglicht einen sehr geringen Turbulenzgrad, sodass hier ein ähnliches Grenzschichtverhalten der Strömung wie in Freiflugexperimenten simuliert werden kann.
Bereits im vergangenen Jahr konnten die Forschenden des Exzellenzclusters SE²A in Kooperation mit dem Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Möglichkeiten von 3D-gedruckten Paneelen zur Grenzschichtabsaugung im Windkanal demonstrieren. Die Forschenden konnten dabei nachweisen, dass es möglich ist, mit mikroperforierten – also mit winzigen Löchern versehenen – Absaugpaneelen aus dem 3D-Drucker eine sogenannte Laminarisierung der Grenzschicht zu erreichen. Dabei wird ein kleiner Teil der Grenzschicht durch die mikroperforierte Oberfläche abgesaugt und diese so stabilisiert.
Im Mai 2025 gelang es den beiden Forschern Lajos Fohlmeister und Jan Kube zum ersten Mal, eine laminare Grenzschicht auf einem 3D-Flügel durch integrierte 3D-gedruckte Absaugpaneele zu erzeugen. Mit den neuen Absaugpaneelen lässt sich die Grenzschicht an aerodynamischen Körpern so verändern, dass der laminar-turbulente Umschlag weiter stromabwärts verschoben wird und sich der Anteil der laminaren Grenzschicht signifikant erhöht. Der Vorteil dabei ist, dass die laminare Grenzschicht bis zu 90 Prozent weniger Luftreibung als die turbulente Grenzschicht verursacht. Die Luftreibung macht bei modernen Verkehrsflugzeugen etwa die Hälfte des Gesamtwiderstandes aus. „Die laminare Strömungskontrolle ist also eine vielversprechende Möglichkeit, den Treibstoffverbrauch und damit auch die Emissionen von Verkehrsflugzeugen signifikant zu reduzieren“, sagt Jan Kube von der TU Braunschweig, zuständig für die Fertigung der 3D-gedruckten Absaugpaneele.
Der Sichelflügel
Ein besonderes Highlight der neuen Untersuchung ist der 3D-Sichelflügel, entwickelt am Institut für Strömungsmechanik im Exzellenzcluster SE²A. „Die besondere Geometrie des Flügels in Form einer Sichel erlaubt die Untersuchung verschiedener aerodynamischer Zustände und insbesondere der Übergänge zwischen diesen Zuständen“, sagt Lajos Fohlmeister, zuständig für die Entwicklung des Sichelflügels und die Durchführung der Windkanalversuche. Der Sichelflügel wurde so entworfen, dass er ein neu entworfenes Tragflügelprofil unter realitätsnahen Bedingungen simuliert. Dadurch tragen die gewonnenen Erkenntnisse auch dazu bei, numerische Verfahren zur Vorhersage verschiedener Transitionsszenarien, also den laminar turbulenten Umschlag der Grenzschicht, zu verbessern.
Interessant für Bau von Segel-, Leicht- und Verkehrsflugzeugen
Für die Drucker war die Herstellung der besonders feinen Mikroperforation mit einem Durchmesser von unter 250 Mikrometern eine Herausforderung. Hendrik Traub: „Das Finden einer geeigneten Perforationsgeometrie hat entsprechend einen großen Teil unserer Forschungsarbeit ausgemacht. Die Möglichkeit, solche Oberflächen zu drucken, erlaubt jetzt dreidimensional gekrümmte Absaugoberflächen schnell und kostengünstig herzustellen. Das ist sowohl für Segel-, Leicht- und Verkehrsflugzeuge als auch für die Wissenschaft interessant.“
Über das Projekt
Während Konzept und Fertigung der Absaugpaneele am Institut für Mechanik und Adaptronik (Jan Kube, Hendrik Traub, Prof. Christian Hühne, TU Braunschweig) entstanden sind, wurden die fortlaufenden aerodynamischen Vorab-Tests der Absaugpaneele in Kooperation mit dem DLR Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik durchgeführt. Der Sichelflügel wurde vollständig am Institut für Strömungsmechanik (Lajos, Fohlmeister, Prof. Rolf Radespiel, TU Braunschweig) entwickelt und gebaut. Der finale Windkanaltest wurde in Kooperation des Instituts für Strömungsmechanik und des Instituts für Mechanik und Adaptronik der TU Braunschweig im Niedergeschwindigkeits-Windkanal Braunschweig (NWB) der Stiftung Deutsch-Niederländische Windkanäle durchgeführt.
