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Verrückter Vogel

Simulationen ermöglichen Flugzeugbauern, am Design zu spielen. In Dresden wird diese Technik weiterentwickelt.

21.08.2017
Von Ronja Münch

r Vogel
Verwirbelungen und Druck auf den Flieger: Modell im Strömungsfeld.

© Visualisierung: DLR

Über den Bildschirm fliegt etwas, das grob wie ein Flugzeug aussieht. Allerdings scheint jemand die einzelnen Bauteile bunt durcheinandergewürfelt zu haben. Die Flügel sind am Rumpf weit nach hinten gerutscht, ihre Spitzen zeigen nach vorne. Die Triebwerke befinden sich über den Tragflächen statt darunter. Kurz hinter dem Cockpit sind Flossen angebracht, die an Höhenflossen erinnern und sich normalerweise hinten am Flugzeug befinden. An diesem Flieger ist irgendwie alles genau an der falschen Stelle. Und das hat einen Grund.

„Es ging darum, das Flugzeug komplett auf nur einen Faktor zuzuschneiden – die Lärmreduzierung“, sagt Carsten Liersch. Er hat am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig an der Entwicklung des Low Noise Aircraft (lärmarmes Flugzeug) mitgewirkt. Einzige Bedingung: Fliegen können sollte es. Das Forschungsprojekt wurde vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert.

Die EU strebt an, bis 2050 den Fluglärm gegenüber dem Jahr 2000 um 65 Prozent zu reduzieren. „Mit heutiger Technik können die europäischen Anforderungen nicht erfüllt werden“, sagt Liersch. Das geht nur mit neuer Technik – beispielsweise leiseren Triebwerken – oder mit radikalem Umdenken. Liersch bewegt die Maus über den merkwürdigen Flieger auf dem Bildschirm, mit bunten Farben sind die Schallwellen dargestellt. Der Lärm pralle an den Tragflächen und am Rumpf ab, erklärt er. So kommt auf dem Boden weniger an, als wenn die Triebwerke wie üblich unter den Flügeln angebracht sind.

Neben Ideen für die Lärmreduzierung ging es bei dem Projekt vor allem darum, die Simulationen für die Ausbreitung von Schall weiterzuentwickeln. Also virtuell darstellen zu können, wie sich der Lärm von den Triebwerken aber auch sonstiger beim Fliegen entstehender Lärm verteilt. „Was die Aerodynamik angeht, sind die Simulationen schon relativ weit fortgeschritten, auf anderen Feldern noch weniger“, erklärt Norbert Kroll, der Leiter für Computerapplikationen beim DLR. Einen Flug mit allen beteiligten Faktoren zu simulieren, ist unglaublich datenaufwendig. Es braucht Höchstleistungsrechner, aber das alleine reicht nicht. „Die Softwareentwicklung kann derzeit mit der technischen Entwicklung der Rechner nicht mithalten“, sagt Kroll. Die Simulation muss auf der einen Seite alle Parameter möglichst genau einbeziehen. Aber sie muss auch, wo möglich, vereinfachen. Airbus habe mal ausgerechnet, dass, wenn man alles einbeziehen wollte, 20 Millionen Simulationen nötig wären, sagt Liersch.

In Dresden entsteht deswegen gerade ein neues Institut unter Krolls Federführung, das sich allein mit Flugsimulationen beschäftigt. Es soll die verschiedenen Forschungsbereiche innerhalb des DLR integrieren. „Unsere Vision ist es, die Entwicklung des Flugzeugs zu virtualisieren“, sagt Kroll. Bisher dauere es mehrere Jahre vom Design bis zum fertigen Flieger. „Fehler, die im Entwicklungsprozess am Anfang gemacht werden, lassen sich hinterher nur sehr schwer wieder korrigieren.“ In der Flugzeugentwicklung werde vor allem an einzelnen Stellen nachgebessert. Ganz neue Designs wie beim Low Noise Aircraft sind da selten. Je mehr aber die Entwicklung virtualisiert werden kann, desto einfacher ist die Erprobung neuer Ideen.

Virtualisiert hat er auch das Gespräch mit der SZ. Die Räume des DLR in Dresden sind momentan noch verwaist, das neue Institut braucht noch Mitarbeiter. Kroll sitzt in Braunschweig, seinen Bildschirm aber hat er geteilt, sodass er in Dresden zu sehen ist. Per Telekonferenz zeigt er an Bild- und Filmmaterial die Entwicklung des lärmarmen Flugzeugs. Ein paar Mitarbeiter, wie Liersch, sind ebenfalls zugeschaltet. „Wir haben mit einem relativ einfachen Modell begonnen“, erklärt der. Damit wurde der Überfluglärm im Vergleich zu einem normalen Linienflugzeug simuliert. Also das, was auf dem Boden ankommt, wenn ein Flieger darüber hinwegdonnert. Nachdem der Test für den schrägen Vogel gut verlief – er war ein gutes Stück leiser – wurde er genauer betrachtet. Die Simulationen wurden auch im Windkanal an einem Modell getestet. Der Triebwerkslärm wurde dort mithilfe eines sogenannten Laserknalls dargestellt. Das entspricht natürlich auch nur bedingt der Realität, mit dem Ton lasse sich aber gut die Schallverbreitung messen, sagt Liersch.

Im Anschluss wurde dann auch das einbezogen, was vorher vernachlässigt wurde, besonders die Aerodynamik. Und die ist leider nicht ganz optimal. Liersch zeigt mit der Maus auf weiße Wölkchen über Flügeln und an den Triebwerken. Das sind Überschallgebiete, erklärt er. Die werden normalerweise vermieden. Die Wirbel aus den Cockpitflossen laufen zudem genau durch die Rotoren. Auch das ist nicht optimal. Besonders effizient ist das Low Noise Aircraft somit nicht. Und das, obwohl die Designer schon die normalen Triebwerke durch offene, gegenläufige Rotoren ausgetauscht haben. Alleine deren Simulation hat mehrere Monate Rechenzeit gebraucht und mehrere Terabyte Daten produziert. Sie sind effizienter, allerdings auch lauter.

Es wurde weiter gebastelt, die Cockpitflossen etwa wurden etwas nach unten versetzt. Das Beispiel Low Noise Aircraft zeigt ein grundsätzliches Dilemma der Luftfahrt. „Das effizienteste, leiseste und schadstoffärmste Flugzeug gibt es nicht“, sagt Liersch. Es muss immer ein Kompromiss zwischen den verschiedenen Faktoren gefunden werden. Das Low Noise Aircraft wird so nie in anderen Lüften als den simulierten des Computers fliegen. Dafür war es allerdings auch nie ausgelegt. Die Erkenntnisse, die aus der Simulation des sonderbaren Fliegers gewonnen wurden, bringen die virtuelle Flugzeugentwicklung weiter. Das neue Institut des DLR in Dresden etwa baut auf dieser Forschung auf und entwickelt die Simulations-Software weiter.