Konstruktion: Ein Doppeldecker durchbricht die Schallmauer

Billigere, leisere und treibstoffeffizientere Doppeldecker könnten Reisen mit Überschallgeschwindigkeit wieder in greifbare Nähe rücken. 27 Jahre lang hat die Concorde ihre Passagiere mit einem seltenen Luxus verwöhnt: mehr Zeit. Für einen happigen Preis hat der elegante Jet die Ticketbesitzer von New York nach Paris in nur dreieinhalb Stunden befördert – gerade genug Zeit für ein Nickerchen und einen Aperitif. Über die Jahre haben teure Tickets, hohe Treibstoffkosten, der begrenzte Platz und der störende Überschallknall das Interesse und damit die Ticketverkäufe erlahmen lassen. Am 26. November 2003 wurde die Concorde außer Dienst gestellt, und damit fand auch das kommerzielle Reisen in Schallgeschwindigkeit ein Ende.

Seitdem hat eine Reihe von Forschergruppen an Entwürfen für die nächste Generation von Überschallflugzeugen gearbeitet. Nun hat sich ein Wissenschaftler am MIT ein Konzept ausgedacht, das viele der Probleme beseitigen könnte, die schließlich zum Ende der Concorde geführt haben. Qiqi Wang, Assistant Professor für Aeronautik und Astronautik, sagt, dass die Lösung im Prinzip einfach sei. Anstatt nur einem Flügel zu beiden Seiten des Rumpfs, warum nicht zwei?

Wang und sein Mitarbeiter Rui Hu, Postdoc im Department für Aeronautik und Astronautik, und Antony Jameson, Professor of Engineering an der Stanford University haben mit einem Computermodell gezeigt, dass ein modifizierter Doppeldecker in der Tat bei Überschallgeschwindigkeit wesentlich weniger Luftwiderstand aufweist als ein konventionelles Flugzeug. Die Forscher werden die Ergebnisse ihrer Arbeit im Journal of Aircraft publizieren

Der herabgesetzte Luftwiderstand bedeutet laut Wang, dass weniger Kraftstoff für das Fliegen erforderlich sei. Außerdem würde sich der Überschallknall weniger bemerkbar machen.

Doppelte Flügel, doppelter Spaß

 Das Design von Wang würde die Stoßwellen, die ein einzelner Flügel erzeugt, aufheben. Wang erweist damit dem deutschen Konstrukteur Adolf Busemann die Ehre, auf den das ursprüngliche Konzept zurückgeht. In den 50er Jahren hat Busemann eine Doppeldeckerkonstruktion erdacht, die die Stoßwellen bei Überschallgeschwindigkeit eliminiert.

Wenn sich ein konventionelles Flugzeug der Schallgeschwindigkeit nähert, wird die vor der Nase und hinter dem Heck des Flugzeugs komprimiert. Wird nun die Schallgeschwindigkeit erreicht und überschritten, führt der plötzliche Anstieg des Luftdrucks zu zwei, sich radial ausbreitenden Stoßwellen, die den typischen doppelten Überschallknall erzeugen.

Durch Berechnungen fand Busemann heraus, dass eine Doppeldeckerkonstruktion tatsächlich die Ausbildung der Stoßwellen verhindern könnte. Jeder Flügel des Entwurfs bildet von vorn gesehen ein abgeflachtes Dreieck, bei dem der obere und der untere Flügel aufeinander zuführen. Diese Konfiguration sollte nach den Berechnungen die Stoßwellen, die jeder einzelne Flügel produziert, gegenseitig aufheben.

Doch dieser Konstruktion fehlt es an Auftrieb. Die zwei Flügel kanalisieren die durchfließende Luft auf engstem Raum. Beim Übergang zu Überschallgeschwindigkeit erzeugt dieser Kanal einen enormen Luftwiderstand. Während der Entwurf bei Überschallgeschwindigkeit fantastisch funktionieren könnte, wird er den Luftwiderstand nicht überwinden können, um diese Geschwindigkeit zu erreichen.

Auftrieb für eine fundierte Theorie

Um das Problem des Luftwiderstands zu lösen, haben Wang, Hu und Jameson ein Computermodell entwickelt, das die Leistungen von Busemanns Doppeldecker bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten nachbildet. Bei einer gegebenen Geschwindigkeit hat das Modell jeweils die optimale Gestalt der Flügel ermittelt, die den Luftwiderstand minimiert. Die Forscher haben dann die Ergebnisse von einem Dutzend Geschwindigkeiten und 700 Flügelkonfigurationen gesammelt, um die optimale Form für jeden Flügel zu bestimmen.

Sie haben herausgefunden, dass das Glätten der inneren Oberflächen jedes Flügels zu einem verbesserten Luftdurchlass zwischen den Flügeln führt. Außerdem haben die Simulationen ergeben, dass das Ausbeulen der Oberkante des höheren Flügels und der Unterkante des unteren Flügels das Konzeptflugzeug zu Überschallflügen mit nur der Hälfte des Luftwiderstands konventioneller Überschallflugzeuge wie der Concorde befähigt. Dies könnte sich in einem nicht einmal halb so hohen Treibstoffverbrauch niederschlagen.

Der nächste Schritt des Forscherteams ist die Konstruktion eines dreidimensionalen Modells, das auch andere flugbeeinflussende Faktoren in Rechnung stellt. Während die MIT-Forscher ein einzelnes optimales Design für den Überschallflug suchen, hätte ein Team in Japan bei der Konstruktion eines Doppeldeckers der Busemann-Form mit beweglichen Teilen Fortschritte gemacht, betont Wang. Die Flügel würden im Grunde genommen ihre Gestalt während des Fluges ändern, um die Schallgeschwindigkeit zu erreichen.

Bild: Konzeptzeichnung eines Überschall-Doppeldeckers basierend auf einer Originalzeichnung mit freundlichen Genehmigung des Obayashi Laboratory, Tohoku Universität. Bild: Christine Daniloff/MIT News