Abhebende Effizienz: Reibungs-Reduktion in der Luftfahrt durch rentable Riblets
Aufgabe
Untersuchung verschiedener Riblet Layouts zur Demonstration von Anwendungsstrategien um höchstmögliche Leistungssteigerung bei höchster Rentabilität zu erreichen.
Lösung
Durchführung weitreichender Flugtests mit verschiedenen Riblet Layouts, basierend auf tiefgehenden numerischen Strömungsanalysen.
Kundennutzen
Beweis der Wirksamkeit von Riblet Oberflächen zur Reduktion von Luftwiderstand und Steigerung der Effizienz, bei wirtschaftlicher Anwendung.
Abbildung 1: Stratos 716X von Stratos Aircraft
Project Details
Im Jahr 2018 war die Luftfahrtindustrie für 2,4% der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich und die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation der Vereinten Nationen (ICAO) prognostizierte, dass sich diese Emissionen bis 2050 voraussichtlich verdreifachen würden. Aufgrund derartigen Vorhersagen rücken die Themen Flugzeugemissionen und Umwelteinflüsse der Luftfahrt noch stärker ins Rampenlicht. Ein zentrales Ziel der Luftfahrtindustrie ist demnach, die Effizienz von Flugzeugen signifikant zu verbessern und die Umweltauswirkungen der Branche zu verringern. Kontinuierlich werden neue Vorschriften, regulatorische Anreize oder umfangreiche Forschungsförderungen geschaffen, um die Anstrengungen der Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet zu intensivieren.
Zu den effektivsten Möglichkeiten, den CO2-Fußabdruck in der Luftfahrtindustrie zu reduzieren, gehören passive Systeme zur Verringerung des Luftwiderstands. Riblet Oberflächen haben ihr Potenzial für signifikante Widerstandsreduktionen in der Luftfahrt bereits bewiesen und stellen in dieser Hinsicht eine vielversprechende Technologie dar, um die Effizienz der Luftfahrt durch breite Anwendungen zu steigern. Die Forschung zu Anwendungen von Riblets auf Flugzeugen reicht bis in die 1990er Jahre zurück. Erfolgreich wurden beispielsweise 70% der Oberfläche eines Airbus A320 mit Riblets bedeckt und damit 2% Kraftstoffeinsparungen erzielt. Ein wesentliches Hindernis dahingehend ist seit jeher die geringe bzw. fehlende Wirtschaftlichkeit von derartigen Projekten. Erst in den letzten Jahren konnten weitere wesentliche Fortschritte erzielt werden, um zukünftig weitgehende industrielle Anwendungen zu etablieren. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der effizienten Anwendung von Riblets auf nur einem geringen Teil der Flugzeugoberfläche, um eine möglichst rentable Anwendungsstrategie zu erreichen.
Die signifikanten Ergebnisse des Projekts wurden Anfang 2023 veröffentlicht und werden maßgeblich zur breiten Anwendungen der Riblet Technologie in der kommerziellen Luftfahrt beitragen. Das Flugzeug, das im Verlauf dieses Projekts untersucht wurde, ist ein Stratos 716X, entwickelt in Redmond, Oregon, von Stratos Aircraft. Der Business Jet zählt zu den effizientesten Flugzeuge in einer Entwicklungsphase. Weiters wurde der entsprechende Flugzeug-Typ bislang nicht in Bezug auf Riblet-Oberflächen untersucht.
Die Grundlage des Projekts waren weitreichende CFD Simulationen (Computational Fluid Dynamics), um weiterführend die Riblet-Strukturen zu entwickeln, ihre Auswirkungen zu bewerten und die Experimente zu validieren. Die Modelle wurden für zwei verschiedene Betriebsbedingungen entwickelt. Zuerst für Flug-Level 410 auf 41.000 Fuß (12.500 km), was einer typischen Reisehöhe für den Stratos 716X entspricht, bei einer Geschwindigkeit von 400 Knoten, was 0,697 Mach entspricht. Zweitens FL 285 auf 28.500 Fuß (8,7 km) bei 0,674 Mach.
Baseline Simulationen war notwendig, um eine Referenz für die Riblet Auslegung zu schaffen. Die Simulationen wurden im stationären Zustand mit einem Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)-Modell durchgeführt, weshalb die Verwendung nur der Hälfte des numerischen Bereichs mit Symmetrie als Randbedingung gerechtfertigt war. Das numerische Gitter (polyhedrales Gitter mit hexaedralem Kern) bestand aus 14 Millionen Zellen und ist in Abbildung 2 zu sehen. Die Grenzschicht wurde in 15 Prismen aufgelöst, um das Geschwindigkeitsprofil in der Nähe der Wand zu erfassen. Dieses Vorgehen ist speziell für genaue Riblet Betrachtungen entscheidend. Basierend auf diesen grundlegenden Simulationen und den ermittelten Wand-Schubspannungen wurden die idealen Riblet-Geometrien entworfen und die damit jeweiligen Effekte ermittelt. Dies ist in Abbildung 3 für FL 410 zu sehen.
Abbildung 2: Numerisches Netz
Abbildung 3: Ideale Riblet Größen for FL410
Die ausgewählte Applizierungsmethode für die Riblet Oberflächen sind Folien, die jedoch keine Anpassung der Riblet-Größen an jedem Oberflächenpunkt gemäß der idealen Riblet-Verteilung ermöglichen (dies ist nur mit Verwendung von Lasertechnologie möglich). Daher mussten die Riblet-Größen diskretisiert werden. Nach Analyse von verschiedenen Layouts wurde eine Lösung gewählt, bei der zwei verschiedene Riblet-Größen und damit zwei verschiedene Folientypen verwendet wurden. (in Abbildung 5: Riblet-Größe A: blau; Riblet-Größe B: rot).
Vier verschiedene Riblet-Anordnungen wurden getestet:
- Die Folie wurde auf der gesamten möglichen Riblet-Fläche aufgebracht
- Riblets auf den Druckseiten und Saugseiten der Tragflächen
- nur auf den Saugseiten der Tragflächen und
- keine Riblets, um repräsentative Basismessungen zu erhalten.
An den beiden für die Tests gewählten Flughöhen (FL410 und FL285) wurden verschiedene Messungen durchgeführt. Bei jeder Messung wurde ein anderer Parameter konstant gehalten:
- PLA (Power Lever Angle) bei Maximalen Schub, um die maximal erreichbare Mach-Zahl zu überprüfen
- KIAS (Indicated Airspeed): 0,54 Mach, 313 Knoten für FL410; 0,4 Mach, 242 Knoten für FL285
- N1 (Fan-Geschwindigkeit) bei 99,5% ihres Maximums
- ITT (Internal Turbinen Temperatur) bei 600 [K]
Abbildung 4: Maximale Mach Zahl bei FL 410 mit unterschiedlichen Riblet layouts
Ergebnis
Die Messergebnisse zeigen wesentliche Leistungssteigerungen mit Riblets, insbesondere im Bezug auf höhere erreichbaren Mach-Zahlen in beiden Flughöhen. Die Ergebnisse des PLA-Tests bei FL 410 sind in Abbildung 4 dargestellt. Die maximale Mach-Zahl nimmt mit der applizierten Riblet-Fläche zu. Eine um fast 3,5% höhere Mach-Zahl ist erreichbar, wenn die gesamte verfügbare Flugzeugfläche mit Riblet Folie bedeckt ist. Wenn Riblets nur auf den Flügel Saugseiten aufgebracht werden, erhöht sich die maximale Mach-Zahl um bis zu 1,5%.
Um eine bessere Vorstellung von den Effekten der Riblets in Bezug auf die verwendete Oberfläche zu bekommen, zeigt Abbildung 5 die Zunahme der Mach-Zahl, bezogen auf die applizierte Riblet-Fläche. Dieser neue Parameter ist aufschlussreich im Sinne der Effizienz von aufgebrachter Riblet-Fläche. Die kleinste aufgebrachte Fläche, die auch das wirtschaftlichste Layout darstellt, zeigt eindeutig die höchste Effizienzsteigerung. Die Riblets beeinflussten auch den Kraftstoffverbrauch stärker als erwartet durch eine Reduzierung von bis zu 3,4%. Die Vergleichbarkeit der KIAS-Tests ist jedoch aufgrund von Temperaturschwankungen sowie Geschwindigkeitsschwankungen nicht gänzlich gegeben. Definitive Schlussfolgerungen zum Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch können daher keine gezogen werden, jedoch sind wesentliche Einsparungen sicher.
Abbildung 5: Maximale Mach Zahl bezogen auf die Riblet Fläche bei FL 410 mit verschiedenen Riblet Layouts
Das Projekt hat die Effekte verschiedener Riblet-Layouts auf einem Business Jet bewiesen und zeigt die signifikanten Leistungssteigerungen auf. Weitere Untersuchungen werden andere Flugbedingungen betrachten und sich auf aussagekräftige Ergebnisse bezüglich Kraftstoffeinsparungen konzentrieren. Der Hauptaspekt dieses Projektes ist, dass die Effekte der Riblet Anwendung auf geringe Flugzeugflächen in Bezug auf Effizienzsteigerungen demonstriert werden. Dies hat wesentliche Auswirkungen auf die Rentabilität von Riblet Anwendungen und wird eine wichtige Rolle bei der zukünftigen Etablierung von breiten industriellen Anwendungen von Riblet-Oberflächen spielen.