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Mittwoch, 29.03.2017
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Ein Flugzeug im Kühlschrank

Fraunhofer-Institut für Bauphysik

Um Gewicht bei Flugzeugen einzusparen und so die für die Umwelt schädlichen Ausstöße von Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoffen (Nox) sowie den Treibstoffverbrauch zu senken, ist es wichtig, Flugzeuge mit leichteren Elektroniksystemen auszustatten. Weniger Gewicht bedeutet auch weniger Energieverbrauch. Die Kehrseite ist, dass Elektronik Wärme erzeugt – man denke dabei nur an den laufenden Computer oder das ladende Handy. Um die in Verkehrsmaschinen problematische Wärmeverteilung sowie ihre Ableitung genauer zu erforschen, wurde im Holzkirchner Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP eine weltweit einzigartige Testeinrichtung geschaffen: der thermische Prüfstand Ground Thermal Test Bench.
Strahlend blauer Himmel und die Sonne brennt. Im Urlaub am Strand ein durchaus erstrebenswerter Zustand, doch nicht, wenn man dabei im Flugzeug sitzt und auf die Starterlaubnis wartet. Trotz Klimaanlage wird die Luft in der Kabine immer wärmer und der Passagier hofft auf ein schnelles „Go“ aus dem Tower. Allerdings sind es nicht nur Flugverzögerungen in heißen Ländern, die die Luftfahrtbranche dazu bringt, sich mit dem Problem der unerwünschten Hitze im Flugzeug zu beschäftigen. Vielmehr ist es der Trend „all-electric“, also das voll-elektrisch gesteuerte Flugzeug, der Hersteller wie Wissenschaftler vor neue Herausforderungen stellt. Bereits heute regelt die Elektronik in modernen Verkehrsflugzeugen zahlreiche Funktionen- und Steuereinheiten wie beispielsweise die Triebwerke oder den Funkverkehr. Das Prinzip „Fly-by-Wire“ ist der derzeitige Stand der Technik. Hierbei handelt es sich um eine elektrische Signalübertragungstechnik für die Flugsteuerung von Luftfahrzeugen. Künftig sollen aber auch die bisherigen Druckluft- und Hydraulikanlagen ersetzt werden. Denn für diese werden Kompressoren, weit verzweigte Leitungen sowie etliche Liter Flüssigkeit benötigt, die das Gewicht eines Jets und somit den Treibstoffverbrauch in die Höhe treiben.

Um Gewicht bei den Maschinen einzusparen und so die für die Umwelt schädlichen Ausstöße von Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoffen (Nox) sowie den Treibstoffverbrauch zu senken, ist es wichtig, Flugzeuge mit leichteren Elektroniksystemen auszustatten. Weniger Gewicht in die Luft zu bekommen, bedeutet auch weniger Energieverbrauch. Die Kehrseite dabei ist, dass Elektronik Wärme erzeugt – man denke dabei nur an den laufenden Computer oder das ladende Handy. Um die in Verkehrsmaschinen problematische Wärmeverteilung sowie ihre Ableitung genauer zu erforschen, wurde im Holzkirchner Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP eine weltweit einzigartige Testeinrichtung geschaffen: der thermische Prüfstand Ground Thermal Test Bench.

»Die Anlage wurde im Rahmen des EU-Projekts Clean Sky entwickelt und ist in der Lage, Innen- und Außenbedingungen für Flugzeuge zu simulieren, genauso wie man sie während des Fluges oder am Boden vorfindet«, erklärt der für diese Prüfeinrichtung verantwortliche Forscher, Markus Siede, aus dem Geschäftsfeld Aviation am Fraunhofer IBP. »So können wir verschiedenste Avioniksysteme untersuchen, vergleichen und optimieren.« Die Wissenschaftler sind mit der Ground Thermal Test Bench in der Lage, neue Entwicklungen Schritt für Schritt zu testen – angefangen von den Simulationsberechnungen am Computer, über Versuche in kleinen Räumen, sogenannten Simulation Boxes, bis hin zum Test unter realen Bedingungen in einem echten Flugzeugsegment und mit Probanden. Diese Versuchsreihen haben dabei gleich mehrere Vorteile: sie reduzieren die Anzahl der echten Testflüge und sparen auf diese Weise nicht nur Kosten, sondern schonen auch die Umwelt.

Aufbau der Anlage


Die Ground Thermal Test Bench im Fluglabor des Fraunhofer IBP besteht aus einer hochmodernen Kühlanlage, Wärmetauschern, mehreren Simulationskammern, einem AirCraft Calorimeter (ACC) zur Simulation extremster Bedingungen wie Rapid Decompression (rasanter Druckabfall in der Kabine) sowie Thermal Shock (darunter versteht man die schnelle Temperaturveränderung am Material. Dies führt zu mechanischen Spannungen zwischen dem äußeren und inneren Teil des Materials, da die Wärme zu oder von der Oberfläche schneller übertragen wird als zum Inneren) und einem in drei Teile zerlegten Flugzeugrumpf. Dieser setzt sich aus Cockpit, Kabine und Heck zusammen und bietet die Möglichkeit, einzelne Testaufbauten detailliert zu untersuchen.

Das ACC kommt zum Einsatz, wenn zum Beispiel auf dem Computer gerechnete Simulationen und thermische Modelle abgeschlossen wurden. Denn dann liegen Bewertungsgrößen wie Strömungsverhältnisse, thermische Behaglichkeit, Energieeffizienz, Schadstoffausstoß oder Temperaturentwicklungen vor, die es unter Realbedingungen zu validieren gilt. In der Simulationskammer können auf kleinem Raum modulare Messungen mit extremen Temperatur und Druckwechseln untersucht werden.

Im Flugzeugrumpf simulieren die Fraunhofer-Forscher die Klimabedingungen in der Kabine im Verhältnis zum Außenklima am Flugzeugmantel. Originale Avionikkomponenten können hier durch detailgetreue Nachbauten, mit vergleichbaren thermischen Eigenschaften wie die echter Flugzeugkomponenten ersetzt werden. Dies erhöht die Flexibilität, da die Wärmeabgabe und Geometrie dieser „Equipment Simulatoren“ nach Belieben manipuliert werden kann. Dabei stehen eine Reihe wichtiger Fragen im Vordergrund: Welche Wärmequellen entstehen im Inneren? Wie wird die Temperatur durch die Passagiere und die verbaute Elektronik beeinflusst? Wo genau staut sich die Wärme? Kann dabei eine Überhitzung, beispielsweise an Geräten entstehen und welche Konsequenzen hat das auf deren Funktionsfähigkeit? Die Wissenschaftler wollen anhand der Tests Lösungen finden, wie und wohin Hitze aus dem Flugzeug abgeleitet werden kann. Einfache Ansätze wie für Serverräume in Bürogebäuden, wo oft schon simple Lüftungslöcher die Temperatur senken können, sind für ein Flugzeug natürlich nicht umsetzbar. Das liegt daran, dass ein Flugzeug während seiner Reise extremen Druckunterschieden ausgesetzt ist und daher ein einfacher Austausch mit der Außenluft nicht ohne weiteres möglich ist. Zudem würden Öffnungen in der Außenhaut des Flugzeugs zu Verwirbelungen führen, die wiederum den Luftwiderstand des Flugzeugs und damit den Treibstoffverbrauch erhöhen. Ein interessanter Aspekt ist deshalb beispielsweise, die Treibstofftanks als Wärme/Kältereservoir, sinnvoll zu nutzen.

Grundsätzlich besteht auch bei dieser Einrichtung die Möglichkeit, Untersuchungen mit Testpersonen durchzuführen. Der dreiteilige Flugzeugrumpf kann mit Sitzen ausgestattet werden und ist somit für Probandenversuche geeignet.
»Um allerdings Extremsituationen zu testen – ein Beispiel wäre, wie sich eine Beschädigung am Rumpf während eines Fluges auf die Passagiere auswirkt – werden wir natürlich auf Dummies, in unserem Fall den eigenentwickelten Dress MAN, zurückgreifen. Mit deren Einsatz wären auch worst-case-Szenarien zu erforschen, die für Menschen viel zu gefährlich sind«, schildert Siede.

Temperaturen zwischen Himmel und Erde


Das Herz der Ground Thermal Test Bench befindet sich im Keller der Prüfeinrichtung: Eine Hochleistungskühlanlage die bis zu minus 70°Celsius erzeugen kann. Diese Anlage stellte die Mitarbeiter vor eine nicht unerhebliche Herausforderung: Temperaturen unter minus 50 Grad Celsius sind mit normalen konventionellen Kühlanlagen unter Normaldruck nicht zu erreichen. Mit dieser speziellen Anlage können jedoch Extrembedingungen erzeugt werden, die den Flugzeugmantel auf bis zu minus 55 Grad Celsius herabkühlen. Dies entspricht in etwa den Realbedingungen bei einem Langstreckenflug auf der Nordhalbkugel in 10.000 Metern Höhe.

Eine weitere, deutlich kleinere Kälteanlage, sorgt für präzise konditionierte Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Kabine. Das Spektrum bewegt sich dabei zwischen drei und 70 Grad Celsius. So können die Wissenschaftler beispielsweise auch die heiße Außenluft auf der Flughafen-Startbahn in einem Wüstenstaat simulieren und nach Lösungen suchen, die dabei entstehende Hitze energieoptimiert aus der Kabine abzuleiten.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 07.11.2013 - AKR)
 
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