Von Vögeln lernen: So können Flugzeuge sicherer gemacht werden
Die aerodynamischen Prinzipien, die im Flugzeugbau zum Einsatz kommen, stammen zu einem nicht unwesentlichen Teil von den Flügeln von Vögeln. Bis heute ist dieses Vorbild maßgeblich bei der Flugzeugkonstruktion. So sind etwa die Form der Tragflächen, die Winglets am Ende der Flügel oder die ausfahrbaren Landeklappen von Vögeln inspiriert. Welchen aerodynamischen Effekt die Deckfedern auf den Flügeln von Vögeln haben, war bisher weitgehend unklar. Nun kamen Forscher:innen diesem Geheimnis jedoch auf die Spur. Und fanden darin eine weitere Inspiration, die sich im Flugzeugbau niederschlagen könnte – und dies auch sollte.
Dem Geheimnis der Deckfedern auf der Spur
Bisher war ungeklärt, welche Funktion die Deckfedern erfüllen, die den vorderen Teil der Flügelober- und -unterseite bei vielen Vögeln bedeckt. Diese Deckfedern nehmen nicht aktiv an der Flugbewegung Teil, werden allerdings bei bestimmten Flugbewegungen durch den Luftstrom aufgerichtet. „Bei einigen dieser Federreihen wurde beobachtet, dass sie sich während des Fluges aufstellen können, vor allem in Reaktion auf Luftstöße oder bei der Landung„, erklärt das Team rund um Girguis Sedky von der Princeton University.
Die Forscher:innen wollten der aerodynamischen Funktion der Deckfedern im Windtunnel nachspüren. Zu diesem Zweck erstellten sie mehrere Tragflächenmodelle, auf denen sie eine oder mehrere dünne Plastiklamellen an verschiedenen Positionen befestigten. Diese Lamellen konnten wie die Deckfedern bei Vögeln auf den Luftstrom reagieren und sich in ihm aufstellen oder anlegen. „Die Windkanal-Experimente liefern uns präzise Messdaten dazu, wie die Luft mit diesen Flügelmodellen und ihren Klappen interagieren. Dadurch können wir ermitteln, was dabei physikalisch passiert„, erklärt Sedky.
In den Ergebnissen zeigte sich, dass die passiven Bewegungen der Deckfeder-Imitate das Flugverhalten und den Auftrieb des Flügels erheblich beeinflussten – dies galt vor allem für die im vorderen Bereich des Flügels angebrachten Lamellen. Sie erhöhten den Auftrieb und verringerten die Reibung, die durch turbulente Strömungen an der Flügeloberfläche entsteht. Dies senkt nicht zuletzt auch die Gefahr eines Strömungsabrisses bei steileren Anstellwinkeln oder langsamer Fluggeschwindigkeit. Je mehr Lamellen im vorderen Teil des Flügels angebracht waren, desto größer ist der Effekt. Besonders effektiv waren Lamellen, die in zwei bis fünf Reihen hintereinander an der Oberseite der Flügel befestigt waren. „Die fünfreihige Version verbesserte den Auftrieb um 45 Prozent und verringerte die Reibung um 31 Prozent„, so die Forscher:innen.
Erfolg im Praxistest
Im Anschluss an die Windtunnel-Experimente rüstete das Team ein Modellflugzeug mit entsprechenden Lamellen aus und führten mit ihm diverse, teils riskante Manöver in der Luft aus. Und die Lamellen zeigten Wirkung. Das Flugzeug lag nicht nur stabiler in der Luft, es kam auch deutlich später zu den gefürchteten Strömungsabrissen bei großen Anstellwinkeln oder geringer Geschwindigkeit. „Die Aktivierung der Deckklappen erhöht den maximal möglichen Steigwinkel und verzögert den Strömungsabriss, während sie gleichzeitig die Stabilität des Flugzeugs erhöhen. Diese Lamellen helfen Flugzeugen demnach, einen Strömungsabriss zu vermeiden, und machen es leichter, nach einem solchen Stall wieder die Kontrolle zu gewinnen„, schreiben die Forscher:innen.
Verbesserung für Flugzeugflügel
Das Team geht davon aus, dass die passiven Deckfeder-Klappen eine einfache und relativ günstige Methode sein könnten, um die Sicherheit von Flugzeugen oder Drohnen zu verbessern. Es würde sich um eine Maßnahme handeln, die weder Strom noch eine aktive Steuerung bedeutet. „Sie (die Lamellen) sind einfach nur leichte, flexible Platten, die bei richtiger Form und Platzierung die Leistung und Stabilität eines Flugzeugs stark verbessern können„, so Wissa.
Den Forscher:innen gelang es sowohl, die Funktion der Deckfedern von Vogelflügeln aufzudecken, sondern auch herauszufinden, wie diese Funktion in Flugzeuge implementiert werden könnte. „Das ist die Macht bio-inspirierten Designs: Man kann Prinzipien von der Biologie auf die Technik übertragen, um unsere Systeme zu verbessern – aber wir können auch unsere Ingenieurswerkzeuge nutzen, um Fragen zur Biologie zu beantworten„, so das Team abschließend.
