Grenzschichtabsaugung

Absaugen/Ausblasen der Grenzschicht beschreibt zwei Verfahren zur aktiven Grenzschicht- und Strömungskontrolle an Tragflächen, um das Verhältnis Auftrieb zu Widerstand zu verbessern.

Wirkungsweise

Prinzipdarstellung des Ausblasens in die Grenzschicht (oben) und des Absaugens der Grenzschicht (unten). Die sich verlangsamende und aufdickende Grenzschicht wird stabilisiert und folgt der Fläche wieder laminar.

Die auf der Oberseite der Tragfläche durch die Wölbung beschleunigte Strömung läuft nach dem Passieren der maximalen Wölbung gegen den Druckgradienten am Flächenende an und wird dabei wieder verlangsamt. Die Grenzschicht verliert dabei kinetische Energie, wird dicker und beginnt sich von der Fläche zu lösen. Am Umschlagpunkt wird aus der laminaren Grenzschicht eine turbulente Strömung. Die Folge ist, dass der von der Fläche produzierte Auftrieb sinkt, während gleichzeitig der Widerstand zunimmt.

Um in einem weiten Flugbereich über einem möglichst großen Teil der Tragfläche eine laminare Strömung zu gewährleisten, muss das Umschlagen der Grenzschicht von laminar zu turbulent verhindert werden. Absaugen und Ausblasen in der Grenzschicht stellen zwei mögliche aktive Verfahren zur Beeinflussung dar.

Absaugen

Beim Absaugen werden in den kritischen Bereichen der Fläche kleinste Öffnungen installiert, über welche die turbulente Grenzschicht abgesaugt wird. Die noch ungestörte, aber durch die turbulente Grenzschicht nach außen verdrängte Strömung kann wieder laminar an der Oberfläche anliegen. Hinter der Absaugzone entsteht wieder eine laminare Grenzschicht.

Ausblasen

Beim Ausblasen wird zusätzliche beschleunigte Luft in die Grenzschicht eingeleitet. Die ausgeblasene Luft bringt zusätzliche Energie in die Grenzschicht ein, wodurch diese stabilisiert wird. Sie kann länger laminar gegen den Druckgradienten am Flächenende anströmen, ohne umzuschlagen.

Technik

Zur Umsetzung der beschriebenen Prinzipien müssen in der Oberfläche eine Vielzahl kleiner Öffnungen eingebracht werden. Von den Triebwerken gewonnene Zapfluft kann zum Ausblasen den Öffnungen zugeleitet werden. Kompressoren oder Bläser können an den Öffnungen Unterdruck zum Absaugen erzeugen. Die abgesaugte Luft kann wieder über eine Düse ausströmen, um zusätzlichen Schub zu erzeugen.

Durch den Betrieb zusätzlicher Aggregate oder die Nutzung von Zapfluft verringert sich der Wirkungsgrad der Triebwerke, da Leistung zur direkten Schuberzeugung verloren geht. Durch das Ausströmen der abgesaugten Luft aus Düsen kann ein wenig Zusatzschub erzielt werden. Der Gesamtwirkungsgrad verbessert sich aber vor allem durch die Reduzierung des Widerstands, so dass weniger Triebwerksleistung bei gleichen Flugleistungen benötigt wird.

Das Hauptproblem stellt die Pflege der kleinen Öffnungen auf der Tragfläche dar. Kleine Verunreinigungen wie Staub, Regen oder Vereisung senken den Wirkungsgrad des Systems schnell. Die Pflege des Systems wird hierdurch sehr aufwendig.

Alternativen

Weitere Möglichkeiten, die Strömung über der Tragfläche vor allem über dem Außenbereich zu stabilisieren:

• Grenzschichtzaun
• Sägezahn (Aerodynamik)
• Vortexgenerator
• Strake
• Canardflügel

Beispiele

Getestet wurde das Prinzip des Absaugens mit dem Versuchsflugzeug Northrop X-21. Wegen des hohen Instandhaltungs- und Wartungsaufwands wurde diese Technik noch nicht in Serienflugzeugen eingesetzt. Andere Methoden (Triebwerkoptimierung, verbesserte Berechnung der Aerodynamik, leichtere Bauweisen) führen zu größeren Verbesserungen der Flugleistungen.