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Das war das „Red Bull Tunnel Pass“ Projekt Ein technisches „Behind the Scenes“

Mehr als ein Jahr Vorbereitungszeit, über 40 Beteiligte und eine Strecke von rund 2.26km in nur 44 Sekunden: am 4. September brach der italienische Stuntpilot Dario Costa nicht nur einen, sondern gleich vier Weltrekorde beim „Red Bull Tunnel Pass Flight“. Auch die technische Expertise und Produkte von bionic surface technologies waren mit an Bord.

Istanbul, Türkei. Am 4. September startete Dario Costa mit dem Sonnenaufgang seine Flugmaschine im Inneren der Çatalca-Tunnel auf der Marmara-Autobahn. Rund 2.26km galt es mit chirurgischer Hochpräzision zu bewältigen: der Start der Strecke erfolgte in einem Tunnel, führte dann über ein kurzes offenes Stück Autobahn, bevor es dann in den nächsten Tunnel ging, durch diesen hindurch und auch wieder hinaus.
Der italienische Stuntpilot benötigte für diese unglaubliche Meisterleistung 43.44 Sekunden, die Höchstgeschwindigkeit lag bei 245.07 km/h im zweiten Tunnel.
Neben einem intensiven physischen und mentalen Training für den Piloten, um die Schwierigkeiten in und außerhalb der Tunnel meistern zu können, mussten vorab auch umfassende Berechnungen und Analysen durchgeführt werden. So konnte sichergestellt werden, ob sein Vorhaben überhaupt möglich ist und wann bzw. wo kritische Situationen auftreten können.

Aircraft

Der italienische Stuntflieger Dario Costa fliegt mit seiner Zivko Edge 540 V4 samt Riblets von BST zu vier Weltrekorden

Flug durch den Tunnel mittels CFD

Alles begann im Jahr 2020. Dario Costa, welcher bereits mehr als 5.000 Stunden in rund 20 Jahren Flugerfahrung in der Luft verbrachte, hegte schon seit Jahren einen Traum und kam mit den Worten „Könnt ihr mir mittels eurer CFD Berechnungen sagen, wie riskant ein High Speed Flug durch einen langen Tunnel mit einer Flugmaschine ist?“ auf bionic surface technologies zu. Ein Unterfangen, das vor ihm noch kein Mensch je gewagt hatte.
Als Experten in der Aerodynamik und jahrelanger Weggefährte von vielen Piloten des Red Bull Air Race – unter anderem von Dario selbst und seines Mentors Peter Besenyei – ließ man sich diese Chance nicht nehmen. Ein Jahr lang forschte und simulierte man bei BST und auch vor Ort an den perfekten Gegebenheiten, die den Stunt eines solchen Ausmaßes möglich machen könnten. Hierfür wurde das Mammutprojekt in 5 unterschiedliche Episoden geteilt. 

Episode 1 - Basis Simulation | Stationary - Unbewegt

Um ein Gefühl für die Situation zu bekommen, wurden anfänglich drei Berechnungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Windbedingungen durchgeführt. Diese gingen von einem unbewegten, also praktisch in der Luft ‚stehenden‘, Flugzeug einmal im freien Flug, auf dem Viadukt und einmal im inneren des Tunnels T2 aus. Letztere zwei Berechnungen hatten aufgrund der Tunnelmaße eine Flughöhe von 1m. Das Besondere an diesen Simulationen war, dass für diese eine eingescannte Geometrie des Rennfliegers verwendet wurde.
Dadurch, dass es keine Vergleichsbeispiele für so eine Art von Flug gab, lag die Schwierigkeit darin, dass Anstellwinkel und Pitch des Flugzeugs unbekannt waren – diese waren aber für die weiteren Berechnungen von Nöten. Beides konnte abgeschätzt und endgültig berechnet werden.
Schlussendlich war der Output jener, wie die Attitude des Fliegers in den drei verschiedenen Szenarien variiert bei Änderung der drei verschiedenen, einwirkenden Kräfte. 

Episode 2 – Simulation Tunnel Flight | Transient – Bewegt

Nachdem bei den ersten Berechnungen das Flugzeug einerseits ‚im Stand‘ simuliert wurde, wurde für die bewegte Analyse – für die bestmöglichen Ergebnisse – andererseits ein Stück Tunnel- und offener Strecke, also der Eintritt von Viadukt in den zweiten Tunnel, ausgewählt.
Dadurch konnten die Änderungen der Kräfte und Momente auf das Flugzeug besser sichtbar gemacht werden und final geklärt, ob so ein waghalsiger Stunt überhaupt im Bereich des Möglichen liegen konnte. Auch entscheidend war die Festlegung einer Reaction Time. Also der Zeit, die der Pilot hatte, um an äußerliche Gegebenheiten – zum Beispiel Seitenwind – zu reagieren. Diese lag bei 0,3 Sekunden und war wichtig für das mentale Coaching von Dario Costa in weiterer Folge.
Es wurde außerdem eine kurze Sensitivitätsanalyse, also wie empfindlich das Flugzeug auf bestimmte Parameter reagiert, durchgeführt. Bei dieser 2D-Analyse, bei welcher wieder die Höhe, Geschwindigkeit und die Temperatur näher beleuchtet wurden, konnten drei so genannte „Bumps“ im Luftdruck festgestellt werden. Diese wurden an den Piloten weitergegeben, sodass er sich optimal vorbereiten konnte.

Tunnel

Skizze des Tunnels inklusive eingezeichneter Höhe und Breite, sowie Neigungswinkel

Tunnel2

Skizze des berechneten Abschnitts: es wurden 200m vor dem Tunnel und 200m nach Eintritt in den Tunnel berechnet

CFD on Laptop

Lead Ingenieur Lucas Garcia de Albeniz erklärt die Simulation bei Eintritt in den Tunnel

Lucas in Tunnel

Lead Ingenieur Lucas Garcia de Albeniz beim Location Check im Çatalca-Tunnel

Episode 3 – Location Check

Im April 2021 fand dann der wichtige technische Location Check statt, um sich ein Bild von der tatsächlichen Lage zu machen.
Vor Ort wurde die Strecke samt dem Tunnel nochmals genau begutachtet, sowie zu mehreren Tageszeiten Windverhältnisse, Sonneneinstrahlung und Außen- und Innentemperatur gemessen. Dadurch, dass die Temperatur innerhalb und außerhalb des Tunnels konstanter war, der Wind ruhiger und Dario die Sonne beim Fliegen im Rücken hatte – also weniger Potential bei Tunnelaustritt geblendet zu werden – konnte man mit hoher Wahrscheinlichkeit zu diesem Zeitpunkt schon festlegen, dass der Flug am frühen Morgen stattfinden würde.
Zusätzlich wurde die Strecke mehrere Male mit einem Testfahrzeug mit derselben Geschwindigkeit wie sie dann von Dario geflogen werden würde, absolviert. In diesen Runs wurde eine Kamera in Augenhöhe des Flugpiloten befestigt, um ihn im späteren Training in Form von Filmsequenzen zu dienen.

Episode 4 – Modifikationen

Parallel dazu liefen weitere Simulationen, um Dario Costa das Vorhaben so sicher wie möglich zu gestalten. Hierfür wurden an seiner Flugmaschine, einer Zivko Edge 540 V2, weitere Modifikationen vorgenommen wie zum Beispiel Rudder Tips. Als weiteres Highlight wurden auch die von BST entwickelten Ribletoberflächen am Flugzeug eingesetzt. Erstmalig in der Luftfahrtgeschichte wurden Riblets zur Dämpfung und Ausgleich von bodennahen Turbulenzen in der Luft eingesetzt – ebenso eine Weltpremiere.
Durch die besondere Struktur der Riblets und der eigens designten Rudder Tips, die eine größere Auflagefläche aufwiesen, konnte die Stabilität des gesamten Fliegers erhöht werden. Dies wurde von Dario Costa auch so bestätigt, ebenso wie der Umstand mehr Kontrolle bei niedrigen Geschwindigkeiten zu haben. 

Episode 5 – Wetterstationen

Die finale Phase beinhaltete ein umfassendes Wettermonitoring für welches neben den Modifikationen und Simulationen ebenfalls BST zuständig war.  Hierfür wurden 5 Wetterstationen in und rund um die Tunnel angebracht, die die Schnelligkeit und Richtung von Wind, die Temperatur, die Feuchtigkeit und den Druck jede Minute zwischen 4 Uhr und 8 Uhr in der Früh maßen.
Basierend auf diesen Plan und den CFD Berechnungen von BST wurde von den Ingenieuren ein Maßnahmenplan erstellt, zu welchen Wetterbedingungen ein Start bedenkenlos sei.  
So gab es zum Beispiel No-Go-Kriterien, in denen ein Flug auf keinen Fall stattfinden durfte: wenn sich die Temperatur um mehr als 10°C änderte oder einer absoluten Windgeschwindigkeit von mehr als 7 m/s.

Dario und Lucas

BST Ingenieur Lucas Garcia de Albeniz erklärt Dario Costa anhand eines Bildes die möglichen Bereiche für eine Ribletbeklebung (orange)

Flügel Kopie

Shark Skin Technologie als Sicherheitsaspekt an den Flügeln

4 Weltrekorde für Dario und ein Persönlicher für BST

Ein Jahr lang Planung. Über vierzig Beteiligte. Ein Traum. Es war ein herausforderndes Projekt, welches Dank der großartigen Zusammenarbeit reibungslos über die Bühne gehen konnte. Dario Costa konnte somit allerdings nicht nur seinen Traum verwirklichen, sondern verzeichnete mit nur einem Flug gleich vier Weltrekorde:

          Erster Flug mit einem Flugzeug durch einen Tunnel

          Längster Flug unter einem festen Hindernis (1.730 m)

          Erster Flug durch zwei Tunnel

          Erstes Flugzeug, das einen Take-Off im Tunnel hatte

Doch nicht nur der Italiener konnte sich über Rekorde freuen, sondern auch bionic surface technologies.
Neben der Erhöhung der Effizienz dienten in diesem Projekt vor allem die Riblets von BST als wichtiger Sicherheitsaspekt. Wir hätten uns für die Demonstration dessen, wie wichtig die Riblet/Shark Skin Technologie im Flug ist, kein besseres Projekt vorstellen können!