Flüsternde Asketen

Drangvolle Enge in ausgebuchten Maschinen, Wartestreß auf überquellenden Flughäfen – das wird weggesteckt. Spektakuläre Unfälle, selbst wenn sie wochenlang die Schlagzeilen beherrschen, ändern nichts daran: Die Menschheit geht in die Luft.

Im Fernen Osten ist das Flugfieber besonders heftig ausgebrochen. Wie die Internationale Luftfahrt-Vereinigung IATA in Genf mitteilt, wird mit jährlich 9,2 Prozent die Zahl der Fluggäste bis zum Jahr 2000 nirgendwo rascher zunehmen als in Nordostasien. Aber auch global imponieren die Zuwachsraten: bis zur Jahrtausendwende rechnet man mit einem Plus von durchschnittlich 6,3 Prozent pro Jahr. Ein Indiz für zunehmende Verflechtung der Weltwirtschaft? Von wegen: „70 Prozent der Passagiere besteigen aus privaten Gründen das Flugzeug – ein offensichtlicher gesellschaftlicher Bedarf“, urteilt Prof. Walter Kröll. Er ist davon unmittelbar betroffen, denn er ist Vorstandsvorsitzender der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Sitz in Köln.

„In den nächsten 15 bis 20 Jahren muß die Lufttransport-Leistung sich gegenüber heute glatt verdoppeln, um die wachsende Nachfrage zu befriedigen“, zitiert Kröll Prognosen. „Wie das technisch und umweltverträglich gehen soll – darauf müssen Forschung und Entwicklung bereits heute Antworten finden.“

Diese Antworten gewinnen weltweit immer klarere Konturen. In Deutschland trägt das 600 Millionen Mark teure Luftfahrtforschungsprogramm (1994 bis 1998) der Bundesregierung dazu bei. Hilfreich sind innovative „Leitkonzepte“, die Industrie, Hochschulen und die in der DLR konzentrierte Großforschung zum Schulterschluß vereinen.

Drei aussichtsreiche Ansätze sehen die Forscher und Entwickler, um dem Ansturm bis etwa 2010 zu begegnen:

Bessere Anbindung des Luftverkehrs an andere Verkehrsträger – beispielsweise verstärktes Umsteigen zwischen Bahn und Flugzeug.

Bessere Steuerung des Luftverkehrs insgesamt, „optimierte Flugführung“: Direktflüge ohne Umwege und Warteschleifen. „Künstliche Intelligenz“, Computerhilfe an Bord und am Boden, wird Piloten und Fluglotsen bei Anflug, Landung, Rollen auf dem Flugfeld und Abflug lückenlos unterstützen (Gate-to-Gate-Navigation).

Besseres Fluggerät. Überschall-Flugzeuge nach Art der wirtschaftlichen Flops Concorde und Tupolew-144 werden in den kommenden 15 Jahren keine Rolle spielen. Dafür tut sich Entscheidendes bei den mehr als 10000 konventionellen Passagier-Jets, die bis 2010 weltweit neu in Dienst gestellt werden.

Die Jets werden im Durchschnitt größer als heute – möglicherweise bis hin zu „Megalinern“ wie dem 650-sitzigen Airbus A3XX (siehe Seite 60). Doch auch die neue Generation von „normalen“ Maschinen, die derzeit weltweit in den Entwicklungszentren Gestalt annehmen, verblüfft. Denn diese Maschinen werden weit schadstoffärmer im Abgas, leiser und spritsparender als heute.

„Bis 2010 werden die Betriebskosten pro Kilometer und Sitz deutlich sinken“, sagt Walter Kröll. „Inwieweit das an die Passagiere weitergegeben wird“, merkt er vorsichtig an, „ist eine Frage des Marktes.“ Der anhaltend harte Konkurrenzkampf der Airlines dürfte, zur Freude der Reiselustigen, auf den besonders umkämpften Routen – etwa über den Nordatlantik – für weiterhin fallende Ticket-Preise sorgen.

Flugkosten sind zum Teil Spritkosten. Durchschnittlich drei Liter Kerosin schluckt heute ein Passagierflugzeug pro Sitz und 100 Kilometer. Bis 2010 könnte dieser Wert auf etwa 1,5 Liter gesenkt werden – und dementsprechend die Abgas-Emission.

Zirka 5 Prozent von der künftigen Verbrauchshalbierung dürften auf das Konto „optimierte Flugführung“ gehen.

Etwa 15 Prozent werden der Gewichtsersparnis durch leichtere Werkstoffe und Bauweisen – beispielsweise Hohlstrukturen – zu verdanken sein.

Bis zu 30 Prozent bringt die „Laminarisierung“. Dazu wird die an Tragflügeln und Leitwerken vorbeiströmende Luft durch Absaugen der Grenzschicht gezwungen, gleichmäßig die Profile zu umströmen – Wirbel kosten Energie. Auch das Beschichten mit Kunststoff-„Haifischhaut“ senkt den Strömungswiderstand.

Den Löwenanteil indes, nämlich rund 50 Prozent der Verbrauchshalbierung, bringen die Triebwerke der nächsten Generation ein.

Sie werden – genau wie die Flugzeuge, die sie antreiben – tendenziell immer größer. Das scheint zunächst paradox, weil der Kern des Triebwerks, mit Brennkammer und Schubdüse, immer kleiner wird. „Bei den Triebwerken der künftigen Generationen kann man das Kerntriebwerk fast in der Aktentasche wegtragen“, kalauert Prof. Heinrich Weyer, Leiter des DLR-Instituts für Antriebstechnik in Köln. „Aber dafür wird der Bläser, der sogenannte Fan, immer größer.“

Der Fan-Schaufelkranz vorne an der Flugzeug-Turbine erinnert an einen über-dimensionalen Ventilator. Er sitzt auf derselben Achse wie das Kerntriebwerk und wird von ihr mit bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute herumgejagt. Dabei verdichtet er die angesaugte Luft.

Heinrich Weyer erläutert: „Auf einen Teil komprimierte Luft, der ins Kerntriebwerk gedrückt wird und dort die Verbrennung des Kerosins unterhält, kommen bei den Triebwerken der neunziger Jahre etwa neun Teile, die als Nebenstrom (Bypass) das Kerntriebwerk außen umströmen.“ Der Vortrieb – die Kraft, die das Flugzeug nach vorn drückt – wird weitgehend vom Nebenstrom erzeugt.

Das spart enorm viel Treibstoff und erklärt die seit Jahren anhaltende Verbrauchsreduktion. Solche Bypass-Triebwerke treiben heute durchweg die großen Passagiermaschinen an, gleich, ob sie nun von General Electric (GE), Pratt & Whitney, Rolls Royce oder CFM International gefertigt wurden. Und der Trend der Turbinenentwicklung weist eindeutig in Richtung erhöhter Nebenstrom.

Das läßt die Rotorblätter des Fans immer länger, propellerähnlicher aussehen – das Zeitalter des „Propfan“-Triebwerks kündigt sich an. Viel schwerer werden sollen die Fans aber nicht. So verweist Ram K. Matta, Leiter der Triebwerksforschung im F&E-Zentrum von General Electric in Schenectady/New York, stolz auf die Fan-Rotorblätter im GE-90-Triebwerk: Sie bestehen aus Kohlefaserverstärktem Composit-Werkstoff und sind nur ein Drittel so schwer wie die üblichen Titan-Blätter. Allerdings mußten sie vorne mit einer Titan-Kante gehärtet werden – zum Schutz vor Vogelschlag. Die Triebwerke nehmen an Umfang weiter zu. Der Zeitpunkt wird kommen, prophezeien die Ingenieure, wo die Triebwerke nicht mehr unter die Tragflügel passen, weil sie beim Rollen auf dem Flugfeld den Boden zu berühren drohen. Dann bleibt nur noch, sie am Heck oder oberhalb der Tragflügel zu plazieren – was ein Bündel von Konstruktionsproblemen einbringt.

Im Kerntriebwerk hingegen geht es immer platzsparender zu – und heißer. In der mit Keramik-Schindeln ausgekleideten Brennkammer wird das Kerosin mit bis zu 1500 Grad Celsius Turbinen-Eintrittstemperatur verfeuert. Je höher die Temperatur beim Eintritt in die Turbine, desto besser ist der Energieinhalt des Kerosins nutzbar – der Wirkungsgrad steigt, der Treibstoffverbrauch sinkt.

Für die nächste Turbinen-Generation planen die Entwickler dank neuartiger wärmedämmender Schaufelbeschichtung – langfaserverstärkte Zirkonoxid-Keramik – bis zu 200 Grad höhere Temperaturen.

Auch scheinbar kleine Schritte zählen in der Turbine viel. Bei Dr. Richard R. Grzybowski in East Hartford/Connecticut geht es lediglich um winzige Millimeter-Bruchteile – mit alles andere als geringfügigen Konsequenzen.

Grzybowski arbeitet in der Elektronik-Gruppe am Forschungszentrum der UTC. Zur United Technologies Corporation gehört unter anderem der Turbinenhersteller Pratt & Whitney. In einer strategischen Allianz zwischen UTC und Daimler-Benz verfolgen die Firmen das Ziel, aus den Triebwerken von Pratt & Whitney und der zu Daimler-Benz gehörenden MTU München mehr Wirkungsgrad herauszukitzeln.

Im Zentrum von Grzybowskis Arbeit steht der Spalt zwischen der Innenwand des Kerntriebwerks und den vorbeifegenden Spitzen der Turbinenschaufeln. Je kleiner der Spalt, desto vollständiger wird die kinetische Energie der anströmenden Luft genutzt. Doch die Spaltbreite verändert sich ständig während des Betriebs: unterschiedliche Dehnung im Hitzestreß.

Hier soll ein Mikrowellen-Sensor an der Innenseite des Turbinengehäuses Abhilfe schaffen – ein offener Mikrowellen-Hohlraumresonator. Der sich zeitlich ändernde Abstand zwischen den Schaufelspitzen und dem umgebenden Gehäuse „verstimmt“ die Resonanzfrequenz des Sensors. Der niedrigste Resonanzfrequenz-Peak tritt immer dann auf, wenn der Sensor zwischen zwei benachbarten Rotorblättern mißt – und der höchste Peak, wenn ein Rotorblatt den Sensor passiert. „Die Distanz zwischen den zwei Peaks im Resonanzsignal“, erläutert der UTC-Forscher, „ist dem Abstand zwischen Gehäuse und Blattspitze proportional.“

Doch nur mit dem Messen des „Gap“, des Spalts zwischen rotierendem Schaufelkranz und Turbinengehäuse, ist Grzybowski nicht zufrieden. Sein Ziel heißt „Gap Management“: Die Spaltbreite soll sich mit Hilfe des Mikrowellen-Sensors ständig selbst optimieren, also um die notwendigen Millimeter-Bruchteile wachsen oder schrumpfen. Noch dieses Jahr muß der Mikrowellen-Sensor einen Härtetest auf einem Turbinenprüfstand bestehen. 1998 soll das neue Gap Management erstmals bei Testflügen erprobt werden. Grzybowski hofft auf 1 bis 1,5 Prozent Treibstoff-Ersparnis – was den Projektpartnern bislang 20 Millionen Dollar an Investitionen wert war. DLR-Antriebsexperte Heinrich Weyer ist von soviel Aufhebens um ein einziges Prozent Sparchance nicht überrascht: „Bei den Luftfahrtgesellschaften entscheidet ein halbes Prozent Differenz im Treibstoff-Verbrauch, ob die Gesellschaft im betreffenden Jahr Gewinn oder Verlust einfliegt.“ Die Lufthansa beispielsweise verflog 1995 insgesamt 5,5 Millionen Kubikmeter Sprit im Wert von anderthalb Milliarden Mark.

Nicht nur ein halbes, sondern sogar 20 Prozent Verbrauchsreduktion könnte das neuartige, von MTU München und DLR gemeinsam untersuchte CRISP-Triebwerk einbringen. CRISP ist die Abkürzung für „Counter-Rotating Integrated Shrouded Propfan“: ein ummantelter Propfan mit zwei hintereinander angeordneten, gegenläufig rotierenden Rotorblatt-Ringen.

In Weyers Kölner Büro hängt ein Computer-Ausdruck mit dem Konterfei dieses Antriebs. In unterschiedlichen Farben sind die Strömungsgeschwindigkeiten auf den Rotorblättern ausgewiesen – Aufschluß über das aerodynamische Verhalten der CRISP-Rotoren: „Das Ergebnis einer Simulation am ,Numerischen Windkanal` – einem Programmsystem im Höchstleistungsrechner des National Aeronautical Laboratory in Japan“, erläutert der Antriebsforscher. Er lobt die erfolgreiche Zusammenarbeit. „Die DLR hat die Rechenmethoden entwickelt, die Kollegen in Japan den leistungsfähigsten Computer der Welt.“

Numerische Simulation ist für die Luftfahrt-Entwickler weltweit ein heißes Thema. „Die Anwendung der Computer-Simulation auf komplette Triebwerke“, hofft General-Electric-Forscher Ram K. Matta, „wird einen Durchbruch bringen.“ Auch Heinrich Weyer in Köln sieht die „Virtuelle Turbine“ als großes Ziel: die gleichzeitige Optimierung sämtlicher Komponenten des Antriebs – im körperlosen Datenraum mathematischer Modelle.

Schon jetzt will die DLR von der Rechner-Modellierung neuer Brennkammern profitieren. Ohne Computerhilfe würde es kaum gelingen, die Abgas-Emissionen des wachsenden Flugverkehrs rasch zu senken.

Und das tut not. An Spitzentagen überqueren innerhalb von 24 Stunden rund 1000 große Jets den Nordatlantik. Jeder verfeuert in seinen Turbinen zirka 50 Tonnen Treibstoff. So steigt in der bevorzugten Reiseflughöhe von neun bis zwölf Kilometer Höhe beispielsweise die Konzentration an Stickoxiden (NOx), den Vorläufern der Ozonbildung. Aus der Verbrennung einer Tonne Kerosin entstehen beim jetzigen Stand der Triebwerkstechnik zwischen 8 und 20 Kilogramm NOx.

DLR-Forscher suchen hier nach neuen Konzepten – mit Erfolg: Veränderte Brennkammer-Geometrien können den Ausstoß an Schadstoffen wie NOx und Ruß drastisch dämpfen, beispielsweise durch mehrstufige, unterteilte Brennkammern:

Fett-Mager-Verbrennung: Ein „fettes“ Kerosin-Luft-Gemisch – also mit Treibstoff-Überschuß – wird in einer ersten Stufe gezündet und danach mit hohem Luftüberschuß („mager“) nachverbrannt. Effekt: minus 70 Prozent bei der NOx-Bildung.

Magerverbrennung mit Vorverdampfung: Das Kerosin wird in einer vorgeschalteten Kammer vorverdampft und dann unter Luftüberschuß verbrannt. Potential: bis minus 90 Prozent an NOx.

Auch Fluglärm – vor allem beim Start – ist eine „Emission“, die angesichts des zunehmenden Luftverkehrs Aufmerksamkeit verlangt. Obwohl der Geräuschpegel der Maschinen seit Jahren sinkt, nehmen die Beschwerden der Flughafen-Anrainer über Lärmbelästigung zu. Bis 2010, so hoffen UTC-Forscher, könnten Antischall-Aktuatoren in den Triebwerken deren Schallpegel um bis zu 20 Dezibel senken.

Die DLR träumt vorsichtiger: 10 bis 12 Dezibel Geräuschdämpfung scheinen den Kölnern möglich. Doch auch dies entspräche bereits einer Halbierung der subjektiv empfundenen Lautstärke und würde die Turbinen gleichsam zum Flüstern bringen.

Treibstoffsparender, schadstoffärmer, leiser: Die neuen Jets und ihre Umgebung aus Flugführung und Flughafen-Management könnten die Herausforderung eines bis 2010 verdoppelten Luftverkehrsaufkommens bewältigen – technisch.

Werden in diesem Hochtechnologie-Umfeld eigentlich die Piloten noch eine nennenswerte Rolle spielen?

„Wenn man im Cockpit mehr Computer und Automaten einsetzt, nimmt man dem Menschen letztlich Funktionen ab“, sinniert DLR-Chef Walter Kröll. „Die Übertragung menschlicher Funktionen auf automatische Systeme wird zu den bestimmenden Trends im 21. Jahrhundert gehören. Sobald die Automation weit genug ist, kann man den Menschen prinzipiell weglassen.“

Bislang seien die Luftfahrtgesellschaften noch nicht mit dem Forschungsziel „Robot-Passagierflugzeug“ an seine Institution herangetreten. Aber, so Kröll: „Ein Pilot ist ein Kostenfaktor. In der Kalkulation eines Fluges liegen die Crew-Kosten bei zirka zehn Prozent. Bei dem harten Wettbewerb heutzutage denken die Airlines durchaus darüber nach, vom jetzigen Two-Pilot- irgendwann zum Single-Pilot-Cockpit überzugehen.“

Geht die Entwicklung also doch in Richtung Robot-Flugzeug?

„Technisch möglich“, sagt der Kölner Forschungsmanager, „ist es schon heute, ein Flugzeug vollautomatisch zu fliegen. Aber emotionale Gründe sprechen wohl weiterhin dagegen. Ich jedenfalls würde mit mulmigen Gefühlen in einen Jet steigen, von dem ich wüßte: Da vorn im Cockpit sitzt keiner mehr.“

Der Hubschrauber der Zukunft

„Am Hubschrauber passieren Dinge, die beim Flugzeug mit seinen starren Tragflügeln nicht vorkommen … die Strömungsvorgänge sind häufig instationär, nichts ist symmetrisch. Die Blattspitzen am vorlaufenden Hauptrotorblatt beispielsweise werden oft mit Überschallgeschwindigkeit umströmt, während beim rücklaufenden Blatt kaum genügend Auftrieb zustande kommt, um die Maschine in der Luft zu halten.“ Dr. Rolf Dieter von Reth – er leitet die Forschung der Eurocopter Deutschland GmbH in Ottobrunn bei München – mangelt es nicht an Herausforderungen.

Aber es kommt noch dicker: 30 Prozent weniger Kraftstoffverbrauch, 10 Dezibel weniger Außenlärm, generell 100 Kilometer pro Stunde mehr Geschwindigkeit (bisher generell 240 bis 290 km/h), und das alles bei erheblich reduzierten Entwicklungs-, Fertigungs- und Betriebskosten: ein Bündel neuer Ziele für den Hubschrauber der Zukunft sind im Leitkonzept „Helicopter 2010“ zusammengefaßt, unter dem Dach des ehrgeizigen Luftfahrtforschungsprogramms der Bundesregierung.

Der Allgemeinheit wird vor allem die „Allwetterfähigkeit“ der neuen Hubschrauber-Generation zugute kommen: Heftiger Regen, Nebel, Schneegestöber und Vereisung verhindern bislang, daß manches Unfallopfer rechtzeitig in die Klinik geflogen werden kann.

Das soll anders werden – auf zwei Wegen:

Ziel 1: Stets perfekte Sicht und Orientierung. Letztere soll garantiert werden durch Satelliten-Navigation und 3-D-Karte auf einem Display im Cockpit des Hubschraubers. Tadellose Sicht auch bei üblem Wetter schafft ein radargestütztes Hindernis-Warnsystem („Heliradar“). Die Radarantennen können in zusätzliche kurze Rotorarme gepackt werden. Das System soll selbst bei heftigem Regen, Nacht, Nebel und Schnee ein fotografisch klares Bild der Umgebung liefern, einschließlich der gefährlichen Drähte und Kabel in Bodennähe.

Ziel 2: Ein wirtschaftlich arbeitendes Enteisungssystem. Die Rotorblätter sollen im Helicopter 2010 stets eisfrei bleiben. Das läßt sich entweder durch elektrisches Beheizen erreichen oder durch den Einsatz elektrischer Impulse, die erstes Eis an den Rotorblatt-Nasen abplatzen lassen.

Die Pläne für Helicopter 2010

Höhere Leistung: +100 km/h Geschwindigkeit – 30% Treibstoffverbrauch – 20% Leergewicht

Wirtschaftlicher: Kostengünstiger in Produktentwicklung und Fertigung -50 % weniger Kosten für Wartung und Betrieb

Uneingeschränkte Allwetterfähigkeit: Starts und Landungen bei stark reduzierter Sicht effiziente Enteisung, Blitzschutz

Niedrigere Insassenbelastung: weniger Vibration Kabinenlärm unter 80 Dezibel – wie im Passagier-Jet

Weniger Lärm: 10 Dezibel weniger Außenlärm

Höhere Sicherheit

Infos im Internet Computer-Simulation von Triebwerken http://www.kp.dlr.de/~karl

Thorwald Ewe