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Airbus A320-232 ATRA

Flugversuchsplattform der DLR für Brennstoffzelleneinsatz und Wirbelschleppen

Der Airbus A320-232 mit der Kennung D-ATRA ist seit Ende 2008 für das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt als moderne und flexible Flugversuchsplattform im Einsatz. Er setzt nicht nur größenmäßig neue Maßstäbe für fliegende Versuchsträger in der europäischen Luftfahrtforschung. Die ATRA löst das DLR-Forschungsflugzeug VFW 614 ATTAS (Advanced Technologies Testing Aircraft System) ab. Erforscht werden u.a. Brennstoffzelleneinsatz zur Notstromversorgung, Wirbelschleppen, Hochauftriebsforschung für leistungsfähige Start- und Landephasen, Stömungsverhalten, Lärmreduzierung usw.

Beschreibung: (Angaben des Ausstellers DLR)

Auf seinem Weg zu einem öko-effizienten Unternehmen arbeitet Airbus im ersten Schritt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem französischen Unternehmen Michelin zusammen. Ziel ist die Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie an Bord von Zivilflugzeugen zur signifikanten Reduzierung von Emissionen.

Während Michelin modernste Brennstoffzellentechnologie zur Verfügung stellt, ist das DLR zuständig für Basistechnologie-Entwicklung und Komponententests. Airbus ist verantwortlich für die gesamte Integration dieser Technologie ins Flugzeug sowie die Flugtest-Aktivitäten. Die A320 des DLR ist ein einzigartiges Forschungsflugzeug. Es wird regelmäßic als Plattform zur Evaluierung und Validierung neuer Technologien genutzt.

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das Elektrizität durch die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Reines Wasser und Wärme sind die einzigen „Abfallprodukte“ aus diesem Prozess. Brennstoffzellentechnologie ist ein entscheidender Faktor, um die Öko-Effizienz der Luftfahrt zu stärken. Sie bringt Mehrwert bei gleichzeitig geringeren Umwelteinflüssen:

emissionsfreier Betrieb am Boden
Emissionsreduzierung während des gesamten Flugzyklus
verbesserte Energie-Effizienz
nutzbare Abfallprodukte (Edelgas, Wasser)

Brennstoffzelleneinsatz zur Notstromversorgung:

Die eingebaute Brennstoffzelle übernimmt für 1 Stunde die Notstromversorgung – frei von Kohlendioxid oder anderen Schadstoffemissionen. Im Rahmen der Notfallversorgung betreibt das System die Pumpe eines von drei Hydrauliksystemen, das bei einem Ausfall der Triebwerke die Steuerflächen bewegt.

Um die 20 Kilowatt-Brennstoffzelle im Frachtraum installieren zu können, wurde das DLR-Forschungsflugzeug zunächst mit einem Frachtladesystem ausgestattet. Anschließend musste das Brennstoffzellensystem an das Flugzeug und dessen Verbraucher angebunden werden. Schwierige Aufgaben hierbei waren neben dem Aufbau der mobilen Infrastruktur zur Versorgung mit Kraftstoff (Wasserstoff und Sauerstoff) auch die Entwicklung und Implementierung der für den Flugversuch zugelassenen Messinstrumente, mit denen das Verhalten des Brennstoffzellen-Systems während des Flugs beobachtet und analysiert wird. Bevor das Flugzeug mit der Brennstoffzelle an Bord zum ersten Testflug abheben konnte, musste das System umfangreiche Abnahmetests am Boden bestehen, um die für den Flugbetrieb erforderliche Sicherheit zu gewährleisten.

Im Laufe der Nutzungsphase wird die Grundausstattung weiterentwickelt und das Einsatzspektrum von ATRA erweitert. Viele zukünftige Ein- und Umbauten am Versuchsträger werden stark an spezifische wissenschaftliche Experimente gekoppelt und damit zum Teil nur temporär sein. Durch Nutzung weit verbreiteter Standards bei der Auswahl der Komponenten und Strukturen sollen die Anforderungen hinsichtlich Modularität, Erweiterbarkeit, Einfachheit sowie Zuverlässigkeit und Langlebigkeit erfüllt werden.

Weitere Missionen und Forschungsschwerpunkte:

Erprobung von aeroelastischen Messverfahren
Untersuchungen zur Innenraumakustik
Messungen von Umströmungslärm
Messungen von Turbulenzen (Laminarisierung) am Flügel und am LeitwerkErprobung neuester Messverfahren wie PIV (Particle Image Velocimetry), eine optische Methode zur Messung von Geschwindigkeitsfeldern
Vermessung von Wirbelschleppen, dies sind Luftverwirbelungen, die als Folge des an den Tragflächen erzeugten Auftriebs entstehen
Atmosphären- und Triebwerksmessungen

Des Weiteren wird ATRA über mehrere Cockpitschnittstellen verfügen. Hierzu werden eine experimentelle Ansteuerung der Cockpit-Displays, zusätzliche Datenlinks sowie ein Head up Display realisiert.

Damit ergeben sich Möglichkeiten für Untersuchungen von:

Flugsteuerungskommandos für den Wirbelschleppendurchflug und zur Lastabminderung sowie in den Bereichen autonomes Fliegen, Rollverkehrsführung, Pilotenassistenz und Displaytechnologie
Untersuchungen zur Arbeitsbelastung und -verteilung von Piloten
Erprobung modernster Navigation- und Kommunikationstechnologien für Flugzeuge und Lärmarmen An- und Abflugverfahren

Wirbelschleppenforschung:

Luftwirbel hinter Flugzeugen entstehen als Folge des an den Tragflächen erzeugten Auftriebs. Sie können sich als unsichtbare Wirbelschleppen noch längere Zeit entlang der Flugbahn halten. Daher sind für die zivile Luftfahrt genaue Sicherheitsabstände vorgeschrieben, die die Start- und Landefrequenzen auf großen Flughäfen bestimmen und bei hohem Verkehrsaufkommen zu Kapazitätsengpässen führen können. Die unangenehme, bei Passagieren und Airlines gleichermaßen unerwünschte Folge sind Warteschleifen und Verspätungen.

Das DLR verfolgt hierzu 2 unterschiedliche Ansätze:

Zum einen kann ATRA mit Hilfe der Lasermesstechnik Lidar das Geschwindigkeitsfeld des Wirbels eines vorausfliegenden Flugzeugs messen.

Zum anderen messen Anströmsensoren die Parameter für Wirbelmodelle wie Intensität und Alterungsverhalten.

Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass gleichzeitig die Reaktion des einfliegenden Flugzeugs auf die Wirbelströmung im Zusammenhang mit den aktuellen Wirbelschleppeneigenschaften modelliert und bewertet werden. Ziel der Versuche ist, durch eine genauere Berechnung der Ausbreitung und des Abbaus der Wirbelschleppen die möglichen Staffelungsabstände zwischen hintereinander an- oder abfliegenden Flugzeugen zu verringern.

Hochauftriebsforschung für leistungsfähige Start- und Landephasen:

Der Luftverkehr steht vor vielfältigen Herausforderungen. Durch den weltweiten Anstieg des Luftverkehrsaufkommens wird eine Steigerung der aerodynamischen Leistungsfähigkeit während der Start- und Landephase gemeinsam mit einer Reduktion des Fluglärms noch wichtiger werden. Das DLR arbeitet in diversen nationalen und europäischen Forschungsprojekten an diesen Herausforderungen.

Die Konzeption und Entwicklung komplexer Klappen- und Übertragungssysteme, die weit reichende Auswirkungen auf die Start- und Landeeigenschaften sowie auf die Lärmemission der Flugzeuge haben, stellt deshalb einen Kernforschungsbereich des DLR dar. In Kooperation mit dem Bereich High-Lift-Systeme der Firma Airbus in Bremen forscht das DLR an aktuellen Fragestellungen.

Einen wichtigen Beitrag zur Reduktion des Systemaufwands stellen die in Entwicklung befindlichen Einzelklappenantriebe dar. Der klassische Stellantrieb verfügt über einen zentral im Rumpf des Flugzeugs angebrachte Hydraulikmotor, dessen Leistung über zwei sich in die Flügelhälften erstreckende Wellenstränge und so genannte „Rotary Actuators“ an einen Hebelmechanismus übertragen wird. Dieser bewegt dann die daran befestigte Klappe.

Durch den zentralen Antrieb fahren alle Klappenelemente des Flügels gleichmäßig aus. Bei dem Konzept der Einzelklappenantriebe erfolgt der Antrieb der Klappen dagegen dezentral über elektromechanische Aktuatoren. Sie bestehen aus einem Elektromotor, dessen Drehbewegung über eine Kugelumlaufspindel direkt in die Ausfahrbewegung der Klappe umgesetzt wird.

Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR):

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (= DLR) ist das Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt, Energie und Verkehr. Das Forschungsportfolio des DLR reicht von der Grundlagenforschung bis hin zur Entwicklung von innovativen Anwendungen und Produkten von morgen. So trägt das im DLR gewonnene wissenschaftliche und technische Know-how zur Stärkung des Industrie- und Technologiestandortes Deutschland bei.

Seine umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind in nationale und internationale Kooperationen eingebunden. Über die eigene Forschung hinaus ist das DLR als Raumfahrtagentur im Auftrag der Bundesregierung für die Planung und Umsetzung der deutschen Raumfahrtaktivitäten zuständig. Weiterhin koordiniert und verantwortet das DLR als Projektträger die fachliche und organisatorische Umsetzung von Förderprojekten verschiedener Bundesministerien.

Das DLR beschäftigt ca. 5700 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, es unterhält 29 Institute bzw. Test- und Betriebseinrichtungen und ist an 13 Standorten vertreten, wobei Köln Sitz des Vorstandes ist. Der Etat des DLR für die eigenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie für Betriebsaufgaben beträgt ca. 570 Millionen Euro; davon sind etwa die Hälfte im Wettbewerb erworbene Drittmittel. Das vom DLR verwaltete deutsche Raumfahrtbudget beträgt insgesamt ca. 917 Millionen Euro. Davon werden 68 Prozent für den deutschen Beitrag zur Finanzierung der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) verwendet, 19 Prozent für das Deutsche Raumfahrtprogramm und 13 Prozent wiederum für Forschung und Entwicklung im Geschäftsfeld Raumfahrt des DLR. Die vorgenannten Zahlen beruhen auf dem Geschäftsjahr 2007.

Die Ursprungsorganisation des DLR wurde 1907 von Ludwig Prandtl in Göttingen gegründet. Aus dieser Modellversuchsanstalt der Motorluftschiff-Studiengesellschaft wurde später die Aerodynamische Versuchsanstalt. Das DLR entstand 1969 unter dem Namen Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DFVLR) durch den Zusammenschluss mehrerer Einrichtungen. Das waren die Aerodynamische Versuchsanstalt (AVA), die Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) und die Deutsche Forschungsanstalt für Luftfahrt (DFL) sowie 1972 die Gesellschaft für Weltraumforschung (GfW).

1989 wurde die DFVLR in Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) umbenannt. Durch die Fusion der Deutschen Agentur für Raumfahrtangelegenheiten (DARA) mit der DLR zum 1. Oktober 1997 wurde der Name in „Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt“ (DLR) geändert.

Länge:	37,57 m
Höhe:	11,76 mr
Spannweite:	34,10 m
Kabinenlänge:	29,10 m
Kabinenbreite:	3,7 m
Kabinenhöhe:	2,4 m
Sitzplätze:	maximal 179
Leergewicht:	42,3 Tonnen
Gesamtgewicht:	maximal 75,5 Tonnen

Antrieb:	2 x Triebwerke von International Aero Engine V2500
Schub:	je 111 Kilonewton
Reichweite:	4800 Kilometer bis 5700 Kilometer
Flughöhe:	maximal 11.800 Meter (39.000 Fuß)
Geschwindigkeit:	maximal 840 Kilometer pro Stunde
Flugdauer:	Für Testbetriebe bis zu 6:30 Stunden
Tankkapazität:	23.858 Liter
Ursprüngliche Nutzung:	Zivile Nutzung alsPassagierflugzeug
DLR-Flugbetrieb:	Braunschweig

Virtualisierung von Luftströmungen: Wirbelschleppen (Fremdfoto: DLR)