Moderne Segelflugzeuge fliegen sowohl im langsamen Thermikkreisflug, als auch im schnellen Vorflug dazwischen. Das Ziel ist eine möglichst hohe Gesamtgeschwindigkeit. Aus Sicht der Aerodynamik ist ein Kompromiss notwendig zwischen den beiden Flugzuständen bei zwei Auftriebsbeiwerten. Durch das Ändern der Flügelwölbung kann der Kompromiss verkleinert werden. Dies kann beispielsweise durch eine konventionelle Wölbklappe an der Flügelhinterkante erreicht werden. Im Projekt MILAN wird zusätzlich zur Wölbklappe die Vordersektion elastisch verformt, was in der heruntergemorphten Stellung zu einem höheren maximalen Auftriebsbeiwert innerhalb der Laminardelle führt. Das erlaubt es, die Flügelfläche und damit die umströmte Oberfläche zu verkleinern, wobei die Kreisflug- und Überziehgeschwindigkeit beibehalten werden kann. Die maximale Flächenbelastung dagegen kann erhöht werden. Dadurch ergeben sich sowohl eine höhere maximale Gleitzahl, als auch höhere Gleitzahlen bei hohen Geschwindigkeiten.

Es gibt vier Hauptforschungsgebiete:

• Profil- und Flügelaerodynamik
  Es werden Profile in gemorphten und ungemorphten Konfigurationen mit numerischer Optimierung entworfen. Daneben wird auch ein Flügelgrundriss mit Winglets optimiert.

• Topologieoptimierung
  Die Vordersektion wird durch Rippen verformt, die als sogenannte Compliant Mechanisms ausgeführt sind. Das sind elastische Gelenkstrukturen, die der Schale die Zielverformung aufprägen. Die Mechanismen werden mittels numerischer Topologieoptimierung synthetisiert. Am LLS wurde ein neuer Optimierungscode entwickelt, der mit linearer- und nichtlinearer FEM arbeitet und Spannungsrestriktionen berücksichtigt.
   
• Elastische Morphingschale
  Eine hochgradig anisotrope Schale ist notwendig um einerseits kleine Verformungskräfte in Profiltiefenrichtung- als auch eine hohe Steifigkeit in Spannweitenrichtung zu erreichen. Verschiedene Konzepte, alle aus Faserverbundwerkstoffen, werden entworfen, getestet, simuliert und optimiert.
   
• Statische/Dynamische Aeroelastik
  Durch die elastische Vordersektion verringert sich der Bauraum für die lasttragende Primärstruktur des Flügels. Dieser verdreht sich unter aerodynamischer Last, was durch Aeroelastic Tayloring reduziert werden kann. Die Primärstruktur wird auch im Hinblick auf das dynamische aeroelastische Verhalten optimiert.

Im Rahmen des LuFo-Projekts MILAN (Morphing Wings for Sailplanes) wurde in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern ein Morphing-Flügelsegment in Originalgröße entworfen, gebaut und getestet. Es handelt sich dabei um einen funktionalen und strukturellen Demonstrator des Innenflügels für ein Hochleistungssegelflugzeug mit 18 m Spannweite und einer elastisch verformbaren Flügelvordersektion (Morphingnase). Der Versuchsaufbau ist in Abbbildung 1 zu sehen.

Ein Segelflugzeug mit einer verformbaren Flügelvordersektion in Kombination mit einer konventionellen Hinterkantenklappe bietet das Potenzial, die Laminardelle in der Widerstandspolare auf höhere Auftriebsbeiwerte zu erweitern. Dadurch kann die Flügelfläche verkleinert und die Flächenbelastung erhöht werden, während die Langsamflugleistung erhalten bleibt. Höhere Gleitzahlen (Auftrieb/Widerstand), insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, können erreicht werden.

Eine Reihe von elastisch verformbaren Rippen mit nachgiebigen Mechanismen wird verwendet, um die gewünschte Verformung der Flügelhaut aufzuprägen (Reinisch 2019, Reinisch et al. 2021). Auf diese Weise ist es möglich, für unterschiedliche Flugzustände zwischen bestimmten Tragflächenprofilen zu wechseln. Für den Schnellflug haben die Profile eine geringe Wölbung, für den Langsamflug wird die Vordersektion heruntergewölbt (gemorpht) und die Hinterkantenklappe wird nach unten ausgeschlagen. Spezielle Morphing-Profile und ein Flügelgrundriss wurden dafür entworfen und optimiert (Achleitner et al. 2019).

Eine Flügelhaut aus Faser-Verbundwerkstoff wurde entwickelt, um die gewünschten Verformungen ohne Beulen zu erreichen (Sturm und Hornung 2021). Die Primärflügelstruktur für das Demonstrator-Flügelsegment ist so ausgelegt, dass sie trotz der geringeren Dicke und der kleineren Querschnitte den Belastungen standhält. Statische, aeroelastische Optimierung zur Reduktion der Flügelverdrehung wurde untersucht (Sturm et al. 2021).

Das Demonstrator-Flügelsegment umfasst den inneren Flügel bis zu einer Halbspannweite von 2400 mm und ist mit einem Stahlträger verlängert, um eine repräsentative Flügelbiegung mit einem Kran aufbringen zu können (siehe Abbildung 2). Bisherige numerische Untersuchungen zeigen, dass die überlagerte Flügelbiegung die Nasenverformung beeinflusst und zu größeren Aktuationskräften führt. Mittels eines Torsionsrohrs mit mechanischem Umlenkgetriebe wird an drei Punkten an der unteren Flügelhaut gezogen.

Im Versuch wurden verschiedenen Flügelbiegeverformungen (Massenentlastung, Horizontalflug, Kreisflug) aufgebracht und die Flügelvordersektion in Schnell- und Langsamflugstellung verformt. Die Geometrie wurde mittels Photogrammmetrie und 3D-Laserscanning zur Analyse der Tragflügelkonturen vermessen (siehe Abbildung 3). Dehnungen der formvariablen Schale wurden lokal mit Dehnungsmessstreifen aufgezeichnet.

Nach den statischen Tests wurde mit der Vordersektion ein Ermüdungsversuch mit mehreren tausend Lastzyklen durchgeführt. Die Testauswertung wird momentan durchgeführt.

Status: November 2022