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Von Haien in der Luftfahrt: bionic surface technologies und Lufthansa Group erforschten Riblet Technologie an Flugzeugen

Gemeinsam erforschten die zwei Unternehmen die Vorteile von mikrostrukturierten Oberflächen inklusive des Einflusses von unterschiedlichen Verschleiß- und Beschädigungszuständen, und deren Bedeutung für die Luftfahrtindustrie.

Lufthansa,_Boeing_747

Nachhaltigkeit und das Verkleinern des ökologischen Fußabdrucks sind Themen, die heutzutage immer mehr an Seriosität und Relevanz gewinnen. Auch die Lufthansa Group beschäftigt sich eingehend mit ihren Nachhaltigkeitszielen und ist an bionic surface technologies herangetreten, um das in beiden Unternehmen vorhandene Know-How in der Riblet Technologie in einem Pilotprojekt gemeinsam umzusetzen. Diese Ribletoberflächen sind bekannt für eine weitreichende Palette an unterschiedlichsten Vorteilen in der Luftfahrt.

Verantwortlich für die zahlreichen Vorteile dieser Technologie ist die spezielle, aus wenigen Mikrometer großen Rillen bestehende Oberflächenstruktur: die so genannten Riblets. Sie sind der Natur nachempfunden und ahmen die reibungsreduzierenden Eigenschaften der Haifischhaut (daher wird auch oft von Sharkskin Technologie gesprochen, Anm.) nach.
Wird nun diese spezielle Oberflächenstruktur mit ihren reibungsreduzierenden Eigenschaften auf den strömungsrelevanten Stellen eines Flugzeuges angebracht, kann so die Aerodynamik beeinflusst werden, was wiederum zu geringerem Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß führt.


Zu diesem Zweck forschten bionic surface technologies gemeinsam mit Lufthansa Technik im Jahr 2015 an der perfekten Lösung für ein von Lufthansa Airlines bereitgestelltes Langstreckenflugzeug, eine Boeing 747-400.
Um die Nützlichkeit im Detail aufzeigen zu können, musste zuerst der Ist-Zustand der aerodynamischen Verhältnisse der 747-400 abgebildet werden. Hierfür durchlief das exakte Computermodell der 747-400 bei bionic surface technologies eine ausführliche Basis-Simulation zur Erzeugung eines „Virtual Twins“. In weiterer Folge wurden umfangreiche Simulationsstudien von verschiedensten Rauigkeiten in verschiedenen Betriebspunkten, die während eines Linienfluges anfallen, durchgeführt.


Erst nach diesen wichtigen Schritten konnte Mithilfe der vorangegangenen Messwerte das Design der Riblets, wie zum Beispiel Strukturhöhen und Flächen, entworfen und angepasst werden. Dies hatte ebenfalls zur Folge, dass zuerst die Struktur der Riblets an sich für die verschiedenen Betriebspunkte optimiert werden musste, um so den höchstmöglichen Output zu erzielen.
Durch die weiterführende Simulation der Riblets an der 747-400, sowie die Simulation der verschiedenen Betriebspunkte für die jeweiligen Ribletkonfigurationen konnte nun aufgezeigt werden, wie effektiv diese aus Rillen bestehenden Oberflächenstrukturen wirklich für die Luftfahrt sein können. So spart die Applikation von Riblets an strömungsrelevanten Teilen des Flugzeuges mit ideal berechneten Riblets theoretisch bis zu 4% Treibstoff ein. In der Realitätsind bis zu 3% Einsparungen desTreibstoffes und dem entsprechenden CO2 möglich.

Die Applikation von Riblets am gesamten Flugzeug ist mit Kosten verbunden, welche ebenfalls durch weitere Optimierungen reduziert werden konnten – ohne bei der Treibstoffreduktion Einbußen zu verursachen. Hierfür wurde einerseits das Layout der Riblet Applikation nochmals genauestens untersucht und angepasst und andererseits die Ribletfolie an sich nochmals aerodynamisch geprüft und getestet.
Mittels experimenteller Evaluierungen durch einen speziellen auditierten Riblet-Prüfstand von BST, wurde die Höhe der Widerstandsreduktion der Ribletoberflächen bei verschiedenen Alters- und Verschleißzuständen geprüft. So konnte zusätzlich im Rahmen der Zertifizierung beurteilt werden, wie kritisch sich Abnutzungen und Defekte auswirken und ab welchen Zeitpunkt die Folie getauscht werden muss, um ihre volle Wirkung entfalten zu können.