DLR testet im Flug verformbaren Flügel

Eine Flügelstruktur, die ihre Form während des Flugs verändern kann – das ist die Idee hinter dem Projekt morphAIR des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Mit diesem neuartigen Flügelkonzept möchten die Forschenden Flugzeuge effizienter und besser steuerbar machen. Dafür haben sie das unbemannte Versuchsflugzeug PROTEUS sowohl mit einem herkömmlichen als auch mit einem morphenden, also sich veränderndem, Flügelsatz ausgestattet. In Flugversuchen am Nationalen Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtsysteme in Cochstedt hat das DLR die Funktion bereits in ersten Flugversuchen getestet.

„Der morphende Flügel kann seine Form während des Flugs verändern und sich so optimal an unterschiedliche Flugzustände anpassen“, erklärt der Projektleiter Martin Radestock vom DLR-Institut für Systemleichtbau.

HyTEM-Technologie ersetzt klassische Klappen und Querruder

Beide Flügelsätze bestehen vollständig aus Faserverbundmaterialien. Das morphende Flügelpaar besitzt einen formvariablen Hinterkantenbereich durch eine hyperelastische Hinterkantenverbindung (hyperelastic trailing edge morphing; kurz HyTEM), die eine spalt- und stufenfreie Verformung des Flügels ermöglicht. „Das HyTEM-Konzept ersetzt klassische Klappen und Querruder durch ein intelligentes System mit mehreren kleinen und über die Flügelspannweite verteilten Antrieben. Diese können die Profile an zehn Stellen präzise anpassen, ohne dass Lücken zwischen den Bereichen entstehen. Durch die kontinuierliche Form sinkt der Profilwiderstand. Zudem kann der Auftrieb, der induzierte Luftwiderstand und die Steuerung des Flugzeugs gezielt beeinflusst werden, was einen großen Vorteil für die Aerodynamik und Flugmechanik darstellt“, erläutert Radestock weiter. Neben einer höheren Effizienz verspricht diese Technologie auch mehr Sicherheit, da Steuerfunktionen über den gesamten Flügel verteilt werden können.

Ein zentrales Element des Projekts ist eine vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik entwickelte, KI-gestützte Flugregelung. Sie ist speziell auf die besonderen Bewegungsmöglichkeiten des morphenden Flügels ausgelegt. Der lernfähige Algorithmus erkennt während des Flugs, wenn sich das tatsächliche Verhalten vom zuvor trainierten Modell unterscheidet. In solchen Fällen passt er seine internen Modelle kontinuierlich an. Bereits im Training werden außerdem gezielt Schadensfälle und Ausfälle einzelner Steuerflächen simuliert. Dadurch lernt der Algorithmus, solche Veränderungen im Flug zu erkennen und die verbleibenden Aktuatoren so zu steuern, dass das Flugverhalten möglichst stabil bleibt. Im Unterschied zu klassischen Flugregelungen kann der lernfähige Ansatz die vielen verteilten Aktuatoren optimal aufeinander abstimmen. So wird das aerodynamische Potenzial der morphenden Struktur bestmöglich genutzt – auch bei erhöhter Ausfallsicherheit.

Hilfreich dafür ist der verlässliche Nachweis, dass sich die Oberflächendruckverteilung aus wenigen Messdaten rekonstruieren lässt. Das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik entwarf eine entsprechende Fähigkeit für PROTEUS und verlieh dem System somit ein unmittelbares „Gefühl“ für sein aktuelles Strömungsfeld. Das Versuchsflugzeug kann so das rekonstruierte Druckfeld mit dem erwarteten Zustand vergleichen, Abweichungen automatisch und lokal erkennen und diese als relevante Störungen interpretieren.

Neues Flügelkonzept erfolgreich im Flug erprobt

Im Rahmen erster Versuche testeten die DLR-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beide Tragflügelkonzepte erfolgreich im Flug. Dafür integrierten sie sowohl die Referenzflügel als auch die neu entwickelten morphenden Flügel in das Flugzeug und erprobten sie. Die Versuche dienten insbesondere der grundlegenden Demonstration der Flugfähigkeit und der Systemintegration und bilden eine wichtige Grundlage für weiterführende Messkampagnen und Untersuchungen.

Obwohl die Forschenden die Daten in skalierten Flugtests erhoben haben, ist die aerodynamische und strukturelle Auslegung mit einer Höchstgeschwindigkeit von 300 Kilometern pro Stunde und einer Flächenbelastung von 70 Kilogramm pro Quadratmeter auch für Kleinflugzeuge relevant. Zum Nachweis der Skalierbarkeit führt das DLR 2026 eine Flugtestkampagne mit PROTEUS mit einer Gesamtmasse von circa 70 Kilogramm durch. Die Ergebnisse werden im Projekt UAdapt (Unmanned Aircraft Wing Adaption) weiterentwickelt.

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