Israel Wygnanski ist seit seiner Kindheit von der Flucht besessen. Als Amateurpilot hat er mit 16 Jahren das erste Solo absolviert. Mit fast 80 Jahren fliegt er immer noch und zeigt keine Anzeichen für ein Anhalten. Während seiner über 50-jährigen Karriere hat Wygnanski, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik und Maschinenbau an der Universität von Arizona, untersucht, wie man Luftströmungen und Turbulenzen manipuliert, um Flugzeuge effizienter zu machen.
Nächstes Jahr werden die Früchte seiner Arbeit auf Boeings Testflugzeug, dem 757 ecoDemonstrator, fliegen. Das Projekt konzentriert sich auf eine Hauptursache für Ineffizienz im Flug: das Heck des Flugzeugs. Das neue Heck verfügt über eine Reihe von 37 kleinen, schwungvollen Düsen, mit deren Hilfe das Lenken bei niedrigen Geschwindigkeiten oder bei einem Motorschaden gesteuert werden kann, wenn ein Seitenruder erforderlich ist, um das Flugzeug auf Kurs zu halten. Das Design, das in Zusammenarbeit mit Boeing, der NASA und Caltech getestet wurde, könnte in den kommenden Jahrzehnten zu kleineren, leichteren Hecks und mehr Kraftstoffeffizienz führen. Das Team erhielt im Oktober von der NASA einen Group Achievement Award.
Das von Ihnen erstellte Demonstrationsmodell zeigt, dass die Flugzeugschwänze größer sind, als sie sein müssen. Warum das?
Der vertikale Schwanz ist sehr groß; es ist fast in einigen Fällen so groß wie ein halber Flügel. Wenn ein Flugzeug seinen gesamten Lebenszyklus durchläuft, zum Beispiel 25 Jahre, und nie einen Motor verliert - das liegt daran, dass Motoren heutzutage sehr zuverlässig sind -, hat es diesen großen vertikalen Stabilisator im Wesentlichen ohne guten Grund während seiner gesamten Lebensdauer mitgeführt. Denken Sie an sein Gewicht, seinen Widerstand. Es trägt viel zum Treibstoffverbrauch des Flugzeugs bei. Es wird immer zu einem gewissen Grad verwendet, aber nicht zu seinem gesamten Potenzial. Wenn ein Flugzeug keinen Motor verliert, ist das Heck keine kritische Steuerfläche.
Anfang dieses Jahres haben Sie ein Heck in Originalgröße mit Ihren Kehrdüsen in Windkanaltests getestet. Wie ist es gelaufen?
Ursprünglich waren in dieses vertikale Leitwerk 37 [Kehrstrahl] -Antriebe eingebettet. Es stellte sich heraus, dass bereits ein Aktuator den Wirkungsgrad des Hecks um fast 10 Prozent verbessern konnte. Die Fläche dieses einen Aktuatorstrahls, ein Achtel eines Quadratzolls, kann die Strömung über den gesamten Flügel, der 370 Quadratfuß groß ist, beeinflussen. Das war ein erstaunliches Ergebnis. Ich denke es wird getestet und flugerprobt.
Wie viel kleiner kann ein Flugzeugheck sein?
Die Ergebnisse zeigen sofort, dass wir es um 30 Prozent schrumpfen können. Das ist erheblich. Wenn Sie in der Größenordnung von einem Prozent Kraftstoff sparen, denken Sie darüber nach, was dies für die Lebensdauer eines Flugzeugs bedeutet. Das ganze Experiment hier bestand darin, eine Technologie zu beweisen und unseren Fuß in die Tür zu bekommen, so dass die Industrie erkennen wird, dass es hier ein Potenzial gibt, das sie nie genutzt hat. Mit anderen Worten, es gibt ein Werkzeug in der Toolbox, mit dem sich die Art und Weise ändern lässt, in der Flugzeuge konstruiert werden.
Wygnanski ist Professor für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau an der University of Arizona. (Mit freundlicher Genehmigung der NASA) Wenn Sie also den Luftstrom ein wenig verändern, können Sie das Ergebnis von beispielsweise Lenken oder Heben beeinflussen. Es scheint ein einfaches Konzept zu sein. Was macht es so schwierig, es zu erreichen?
Die Achillesferse bei diesem ganzen Problem war die Komplexität der Aktuatoren, die die Durchflussregelung gewährleisten. Wir haben anfangs elektromagnetische verwendet. Die Leute haben piezoelektrische verwendet. Entweder sind sie schwer oder schwer zu pflegen. Dann kam die andere Idee, einen kleinen oszillierenden Strahlantrieb zu verwenden, bei dem es sich um ein Gerät handelt, das Druckluft benötigt. Es hat keine beweglichen Teile und kann im Wesentlichen in die Oberfläche des Flügels geätzt werden.
Und Sie haben dieses Konzept bereits mit anderen Flugzeugtypen getestet?
Ja. Wir haben damit begonnen, einige relativ grundlegende Strömungsmuster zu untersuchen, wie das Mischen von zwei Luftströmen, was man an den Abgasen von Düsentriebwerken sieht. Das führte zu immer größeren Anwendungen dieser Idee. Zum Beispiel haben wir es 2003 zusammen mit Bell Helicopters und Boeing in einem Flugzeug getestet, das als Technologiedemonstrator für den V-22 Osprey diente. Was wir im Labor prognostiziert haben, hat funktioniert.
Es ist ein großer Sprung von einer V-22 zu einem Passagierflugzeug. Wie sind Sie zum kommerziellen Flug übergegangen?
Wir dachten: "Was wäre eine Bedienoberfläche, die nicht flugkritisch ist?" Mit anderen Worten, wenn etwas mit dieser Bedienoberfläche passiert, kann das Flugzeug trotzdem fliegen. Ein typisches Leitwerk in einem Verkehrsflugzeug ist eine solche Oberfläche. Nehmen wir an, ein Motor in einem Flugzeug geht aus. In diesem Fall sorgt das Leitwerk dafür, dass das Flugzeug immer noch geradeaus fliegen kann, obwohl der Schub nicht mehr symmetrisch ist.
Könnte das Airjetsystem auch an anderen Stellen als am Heck eingesetzt werden?
Oh ja. Genau. [Diese Demonstration] diente nur dazu, die Leute davon zu überzeugen, dass wir es versuchen können. Es kann viel für das zukünftige Design von Flugzeugen tun. Möglicherweise können die Flügel weiter nach hinten geschwenkt werden, wodurch die Geschwindigkeit erhöht werden kann, ohne dass der Luftwiderstand zunimmt. Stellen Sie sich vor, Sie überqueren den Atlantik mit einem Flugzeug, das dieselbe Treibstoffmenge verbraucht, sparen aber eineinhalb Flugstunden. Mit Ausnahme der Concord stecken wir seit 50 Jahren mit den gleichen Geschwindigkeiten fest.
Verkehrsflugzeuge sind aus gutem Grund konservativ. Daher ist die Rate, mit der neue Technologien eingeführt werden, relativ langsam.
Sehr sehr langsam. Wenn Sie kein Experte sind, schauen Sie sich heute die Flugzeuge und die kommerziellen Düsenflugzeuge an, die in den späten 1950er Jahren geflogen sind, und Sie werden kaum etwas anderes sehen können. Seit den Gebrüdern Wright sind mehr als 100 Jahre vergangen. In den ersten 50 Jahren gab es eine enorme Veränderung, vom Wright Flyer zum 707. Vom 707 bis heute gibt es zwar eine Verbesserung in Bezug auf die Aerodynamik, aber das ist nicht sehr offensichtlich. Heute fliegen wir mit der Geschwindigkeit, mit der wir 1960 geflogen sind. Es gibt Treibstoffeffizienz und so weiter, aber im Grunde sagen die Leute: „Nun, die Luftfahrt ist eine Sonnenuntergangswissenschaft. Wir sehen nichts Neues mehr. '
Und hier glauben Sie, dass Sie etwas Neues haben?
Ich glaube, dass wir das tun.
