Die rasante Entwicklung der urbanen Luftmobilität (UAM) hat Flugzeuge mit vertikalem Start und Landung an die Spitze der Transportinnovation gebracht. Während Batterietechnologie, Antriebssysteme und Autonomie oft die Schlagzeilen dominieren, bestimmt eine weniger bekannte, aber ebenso kritische Komponente, ob diese Flugzeuge sicher und effizient zwischen Schwebeflug und Vorwärtsflug wechseln können: Hochauftriebsgeräte. Diese aerodynamischen Oberflächen und Mechanismen sind von grundlegender Bedeutung für die Erzeugung des zusätzlichen Auftriebs, der beim Start, der Landung und bei Manövern mit niedriger Geschwindigkeit erforderlich ist - genau die Phasen, in denen eVTOLs ihre anspruchsvollsten Herausforderungen haben. Da die Hersteller darum kämpfen, eVTOL-Flugzeuge bis Ende der 2020er Jahre zu zertifizieren und einzusetzen, wird das Verständnis der Zukunft von Hochauftriebsgeräten für jeden wichtig, der den Fortschritt von Luftfahrt, Frachtlieferung und medizinischem Notfalltransport verfolgt.

Was sind High Lift Geräte und warum sind sie wichtig für eVTOL?

Bei Hochauftriebsgeräten handelt es sich um aerodynamische Erweiterungen, die den maximalen Auftriebskoeffizienten eines Flügel- oder Rotorsystems bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten erhöhen. In der konventionellen Starrflügelluftfahrt umfassen diese Spitzenlatten, Hinterkantenklappen und Querruderabhänge. Bei eVTOL-Flugzeugen sind die Einsätze höher, da diese Fahrzeuge in eingeschränkten städtischen Umgebungen mit begrenzten Landebereichen, strengen Lärmvorschriften und der Notwendigkeit mehrerer Flugmodi - Schwebeflug, Übergang und Kreuzfahrt - betrieben werden müssen. Ohne effektive Hochauftriebssysteme würden eVTOLs entweder unpraktisch große Flügel erfordern oder Nutzlast und Reichweite opfern.

Die Physik ist einfach: Auftrieb ist proportional zur Quadratgeschwindigkeit und zur Fläche der Tragflächen. Während des Starts und der Landung ist die Fluggeschwindigkeit nahe Null, so dass der Tragflächenantrieb ohne Hochauftriebsvorrichtungen vernachlässigbar wäre. Herkömmliche Hubschrauber lösen dies, indem sie angetriebene Rotoren für alle Phasen verwenden, aber eVTOLs zielen darauf ab, die Effizienz der Starrflügel-Kreuzfahrt mit vertikaler Agilität zu kombinieren. Hochauftriebsvorrichtungen überbrücken die Lücke, indem sie einem relativ kleinen Tragflächenantrieb erlauben, genug Auftrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten zu erzeugen, was einen kürzeren Übergang zwischen vertikalem und horizontalem Flug ermöglicht. Dies reduziert den Energieverbrauch, minimiert Lärm und erhöht die Sicherheitsmargen.

Die aerodynamischen Prinzipien hinter dem Hochauftrieb

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hochauftriebsvorrichtungen, bei dem die Wölbung (Krümmung des Flügels) erhöht wird oder die effektive Flügelfläche erhöht wird. Beispielsweise erhöht eine eingesetzte Hinterkantenklappe die Wölbung, was die Strömungstrennung verzögert und dem Flügel ermöglicht, mehr Auftrieb bei einem gegebenen Anstellwinkel zu erzeugen. Vorflügelleisten beleben die Grenzschicht und verzögern den Abbruch weiter. Das Ergebnis ist ein höherer maximaler Auftriebsbeiwert (CLmax), der die Abbruchgeschwindigkeit direkt reduziert und steilere Anflugwinkel ermöglicht. Bei eVTOLs sind diese Prinzipien während des Übergangskorridors entscheidend, dem Geschwindigkeitsbereich, in dem das Flugzeug vom Rotorauftrieb zum Flügelauftrieb wechselt. Ein gut konzipiertes Hochauftriebssystem verengt diesen Korridor, wodurch die in einem aerodynamisch ineffizienten Zustand verbrachte Zeit verkürzt wird.

Forscher der NASA und akademischer Institutionen haben die Aerodynamik von eVTOL-Konfigurationen ausgiebig untersucht. Zum Beispiel untersuchte ein NASA-Technical Paper von 2021 die Wechselwirkung zwischen Rotorschleppen und Flügelhinterkantenklappen und hob das Potenzial für eine signifikante Auftriebsverbesserung hervor, wenn die Klappenauslenkung im Vergleich zum Rotorabfluss optimiert wird. Solche Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit eines integrierten aerodynamischen Designs, anstatt einfach herkömmliche Klappen zu skalieren.

Die einzigartigen Anforderungen des eVTOL Flight Envelope

Der Flugbereich eVTOL unterscheidet sich von dem aller bisherigen Flugzeuge und umfasst drei verschiedene Systeme: vertikale Steigung/Abfahrt, Übergang mit niedriger Geschwindigkeit und Reise mit hoher Geschwindigkeit.

Vertikale Flugphase

Während des Schwebeflugs und des vertikalen Aufstiegs sind die Flügel im Wesentlichen ins Stocken geraten oder arbeiten mit sehr geringer Vorwärtsgeschwindigkeit. Jede Hochauftriebsvorrichtung, die den Luftwiderstand erhöht (wie eine eingesetzte Klappe), verringert tatsächlich die Rotoreffizienz, da der Rotor zusätzlichen Luftwiderstand überwinden muss. Daher ziehen viele eVTOL-Designs hohe Auftriebsflächen während des Schwebeflugs zurück oder verstauen sie, um den Luftwiderstand zu minimieren. Einige innovative Konzepte setzen jedoch Klappen zur Umleitung des Rotors ein, wodurch vorteilhafte Interferenzeffekte erzeugt werden, die den Auftrieb erhöhen - eine Technik, die als "powered lift" bekannt ist.

Übergangsphase

Die Übergangsphase ist aerodynamisch am komplexesten. Da das Flugzeug vom Schwebeflug zum Vorwärtsflug beschleunigt, werden die Flügel allmählich effizienter. Vorrichtungen mit hohem Auftrieb werden typischerweise bei niedrigen Geschwindigkeiten eingesetzt und dann mit zunehmender Fluggeschwindigkeit eingefahren. Zeitpunkt und Geschwindigkeit des Einfahrens müssen sorgfältig kontrolliert werden, um abrupte Änderungen des Auftriebs oder des Luftwiderstands zu vermeiden, die das Flugzeug stören könnten. Aktive Steuerungssysteme, die die Klappenposition mit Rotorschub und -neigung koordinieren, sind ein aktives Forschungsgebiet.

Lärmeinschränkungen

Der Betrieb von urbanen eVTOL erfordert Lärmpegel, die weit unter denen von Hubschraubern liegen. Hochauftriebsgeräte können durch Strömungstrennung, Wirbelabwurf und mechanische Betätigungsgeräusche zum Lärm beitragen. Auf der Suche nach leiseren Flugzeugen erforschen Designer glatte Morphing-Oberflächen anstelle von diskreten Klappen sowie poröse oder gezackte Hinterkanten. Die Lärmstandards der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) für eVTOLs, die 2023 veröffentlicht wurden, berücksichtigen explizit aerodynamische Lärmquellen, was die Hersteller zu leiseren Hochauftriebslösungen drängt.

Aktuelle High Lift Device Technologien für eVTOL

In bestehenden eVTOL-Prototypen und Konzeptflugzeugen wurden mehrere Hochauftriebsansätze implementiert oder vorgeschlagen, die folgenden sind die prominentesten Kategorien.

Deployable Flaps und Slats

Traditionelle Plain-Flaps, Split-Flaps und Fowler-Flaps erscheinen auf eVTOL-Designs von Unternehmen wie Archer Aviation (Midnight-Flugzeuge) und Joby Aviation). Diese einfachen, bewährten Mechanismen bieten eine vorhersehbare aerodynamische Leistung und sind relativ einfach zu zertifizieren. Archer's Midnight verwendet Hinterkantenklappen an seinem Flügel - der auch acht Liftventilatoren beherbergt -, um den Auftrieb während des Starts und der Landung zu erhöhen, was eine kleinere Flügelfläche für die Reiseeffizienz ermöglicht. Jobys Flugzeug verwendet Klappen, die in die Flügelhinterkante integriert sind und während des Übergangs eingesetzt werden. Der Hauptnachteil ist Gewicht und Komplexität des Betätigungssystems.

Flügel mit variabler Geometrie

Einige eVTOL-Konzepte erforschen Flügel, die ihre Form verändern können - wie Teleskopieren oder Klappflügelspitzen -, um die Flügelfläche und das Seitenverhältnis für verschiedene Flugphasen anzupassen. Eine größere Flügelfläche während des Starts reduziert die Notwendigkeit einer Hochauftriebsklappenauslenkung, während eine kleinere Fläche während der Reiseflugabschnitte zieht. Teleskopmechanismen fügen jedoch Gewicht und mechanische Ausfallrisiken hinzu, was sie bei kurzfristigen Designs weniger häufig macht.

Lift-Fans und Direct Lift Integration

Viele eVTOLs verwenden verteilten elektrischen Antrieb (Dedistributed Electric Propulsion, DEP) mit mehreren Liftventilatoren, die direkt in den Flügel oder die Kante eingebettet sind. Diese Ventilatoren erzeugen vertikalen Auftrieb, effektiv als angetriebene Hochauftriebsvorrichtungen. Durch die Steuerung des Ventilatoraustritts über die Flügeloberfläche können Designer eine Zirkulationssteuerung erreichen, um die Trennung zu verzögern und den Auftrieb zu steigern. Der Lilium Jet verwendet eine Reihe von kanalisierten elektrischen Ventilatoren entlang seiner Kante und den Flügelvorderkanten; während in erster Linie der ventilatorinduzierte Fluss auch einen hohen Auftrieb bietet. Das Beta Technologies Alia-Flugzeug kombiniert einen traditionellen Flügel mit einer auftriebsproduzierenden Propellerkonfiguration. Integrative Ansätze verwischen die Grenze zwischen Antrieb und Hochauftrieb und bieten potenzielle Effizienzgewinne.

Umlaufsteuerungsflügel

Anstatt sich bewegende Oberflächen zu bewegen, verwendet die Zirkulationssteuerung eine Reihe von Schlitzen oder Düsen, um Luft über gekrümmte Hinterkanten zu blasen. Durch die Steuerung des Coanda-Effekts können diese Systeme hohe Auftriebskoeffizienten ohne sperrige Klappen erzielen. Sie sind leichter und potenziell zuverlässiger, erfordern jedoch Druckluft oder Zapfluft, was die Systemkomplexität erhöht. Die Forschung an der Universität von Dayton Air Vehicle Technology Lab hat beeindruckende Auftriebsverbesserungen durch die Zirkulationssteuerung an eVTOL-Tragflächen gezeigt.

Innovative Technologien, die die Zukunft gestalten

Neben den aktuellen Implementierungen sind mehrere neue Technologien vielversprechend für die nächste Generation von eVTOL-Hochauftriebsgeräten.

Intelligente Materialien und Morphingstrukturen

Formgedächtnislegierungen (SMAs), piezoelektrische Aktoren und elektroaktive Polymere ermöglichen "intelligente" Oberflächen, die ihre Form ohne diskrete Scharniere glatt verändern können. Eine morphende Vorderkante könnte von einer sauberen Form für Kreuzfahrt zu einer heruntergeschleuderten Lamellenkonfiguration für niedrige Geschwindigkeit übergehen. Boeing und NASA haben morphende Hinterkanten an herkömmlichen Flugzeugen getestet; für eVTOLs könnten solche Systeme das Betätigungsgewicht und den Lärm reduzieren und gleichzeitig die aerodynamische Leistung verbessern. Die Fähigkeit, die Sturzfläche über die Spannweite hinweg kontinuierlich zu variieren, eröffnet Möglichkeiten für aktive Lastentlastung und Flatterunterdrückung.

Aktive Aerodynamik und Echtzeitoptimierung

Mit Hilfe fortschrittlicher Sensoren und maschinellem Lernen können aktive Steuerungssysteme hohe Auftriebsflächen in Reaktion auf Echtzeitbedingungen wie Böen, Nutzlastverschiebungen oder verschlechterte Rotorleistung einstellen. Beispielsweise könnte ein eVTOL, das während der Landung auf einen plötzlichen Seitenwind trifft, asymmetrisch Klappen einsetzen, um dem Moment entgegenzuwirken. Solche Systeme erfordern eine robuste Fehlererkennung und redundante Architekturen, da jeder Ausfall in geringer Höhe katastrophal sein könnte.

Integrierte Liftsysteme mit verteiltem Antrieb

Die Synergie zwischen DEP und Hochauftrieb wird auf ein neues Niveau gebracht. Konfigurationen, bei denen Auftriebsventilatoren in Schlitzen oder Kanälen innerhalb des Flügels montiert sind - was im Wesentlichen einen geblasenen Flügel erzeugt - können Auftriebskoeffizienten von mehr als 6,0 erzeugen, weit über herkömmliche Klappen hinaus. Das NASA X-57 Maxwell-Experimentflugzeug erkundete dies mit seinen Hochauftriebspropellern, obwohl sein Fokus eher auf der allgemeinen Luftfahrt als auf eVTOL lag. Für eVTOLs stellt die Integration von Hochauftriebsklappen mit vektorisiertem Schub von Kipprotoren oder -ventilatoren ein intensiv erforschtes Gebiet dar. Startups wie FLT: 0 Overair testen "optimale Geschwindigkeit Kipprotor" -Konzepte, die zyklisch-pitchgesteuerte Rotoren verwenden, um den Auftrieb des Flügels während des Übergangs zu erhöhen.

Aufnahme und Ansaugung der Grenzschicht

Aktive Grenzschichtsteuerung durch Saugen oder Blasen kann eine Trennung auf der Flügeloberseite verhindern. Während energieintensive, elektrische Kompressoren in eVTOLs solche Systeme effizient antreiben könnten. Saugen entfernt Luft mit geringem Momentum in der Nähe der Oberfläche und hält die angehängte Strömung bei hohen Anstellwinkeln aufrecht. Diese Technologie befindet sich noch im Laborstadium für eVTOL-Anwendungen, aber die in der Zeitschrift Aerospace Science and Technology veröffentlichte Forschung schlägt ihre Machbarkeit für städtische Luftfahrzeuge vor.

Wichtige Herausforderungen und Engineering Trade-Offs

Kein Hochauftriebssystem ist perfekt. Jede Designentscheidung beinhaltet Kompromisse, die sich auf die Gesamtleistung, die Kosten und den Zertifizierungspfad des Flugzeugs auswirken.

Gewicht und Komplexität

Mechanische Klappen, Scharniere, Aktuatoren und Steuergestänge erhöhen das Gewicht erheblich - typischerweise 3% bis 8% des Flügelgewichts für ein herkömmliches Klappensystem. Bei eVTOLs, bei denen jedes Kilogramm die Reichweite oder die Nutzlast reduziert, können leichte Alternativen wie feste Lamellen (die immer eingesetzt werden) bevorzugt werden, auch auf Kosten des Reisewiderstands. Morphing-Systeme bieten potenzielle Gewichtseinsparungen, führen jedoch zu neuartigen Zuverlässigkeitsbedenken. Hersteller müssen auch den Leistungsbedarf für die Betätigung berücksichtigen; elektrische Aktuatoren für hohe Auftriebsflächen können während des Einsatzes bis zu mehreren Kilowatt aufnehmen.

Zuverlässigkeit und Redundanz

Ausfälle von Hochauftriebsvorrichtungen sind eine bekannte Gefahr in der Luftfahrt, die zu Unfällen wie dem 2008er Spanair-Absturz (MD-82) führen. eVTOLs werden in niedrigen Höhen über besiedelten Gebieten operieren und extrem niedrige Ausfallraten erfordern. Redundante Aktuatoren, mechanische Schlösser und klemmsichere Konstruktionen sind unerlässlich. Zertifizierungsrichtlinien der EASA und der US-amerikanischen Federal Aviation Administration (FAA) verlangen, dass eine klemmende Klappe keine sichere Landung verhindert. Für eVTOLs mit hohem Auftrieb können Ausfälle auch die Übergangsstabilität beeinträchtigen und die Flugkontrollgesetze komplex machen.

Aerodynamische Interferenzen mit Rotoren

Wenn Hochauftriebsvorrichtungen in der Nähe von Rotorschlepppfaden eingesetzt werden, kann die Wechselwirkung vorteilhaft oder nachteilig sein. Eine Klappe, die im Abfluss eines Hubventilators positioniert ist, kann einen erhöhten dynamischen Druck erfahren, aber auch eine instationäre Belastung, die die Ventilatoreffizienz verringert. Simulationen der numerischen Strömungsdynamik (CFD) müssen diese Wechselwirkungen genau erfassen. Windtunneltests von integrierten Hochauftriebs- und Antriebssystemen sind selten und teuer, was den Fortschritt verlangsamt.

Lärm und Akzeptanz in der Gemeinschaft

Wie bereits erwähnt, ist Lärm ein marktbegrenzender Faktor. Klappen können scharfe Töne erzeugen; Lamellenlücken erzeugen Breitbandgeräusche. Glatte Morphing-Oberflächen und Umlaufsteuerung sind leiser, aber weniger ausgereift. Die Lärmzertifizierung wird die Hersteller wahrscheinlich dazu zwingen, geräuscharme Anwendungen und möglicherweise aktive Geräuschunterdrückung über die Rotorblattsteuerung zu verwenden.

Der Weg nach vorn: Zertifizierung, Testing und Marktadoption

Der Weg zu Produktions-eVTOLs mit fortschrittlichen Hochauftriebsgeräten ist mit strengen Tests und regulatorischen Prüfungen gepflastert. Sowohl die EASA als auch die FAA entwickeln spezielle Bedingungen und Verfahren zur Konformität für diese neuartigen Konfigurationen.

Zertifizierungsrahmen

Die EASA-Sonderbedingung für kleine Kategorien von VTOL (SC-VTOL) schreibt vor, dass Hochauftriebssysteme „keine unsicheren Ausfallzustände aufweisen müssen, einschließlich Staus, asymmetrischer Einsätze und unbeabsichtigter Rücknahmen. Die Initiative Advanced Air Mobility (AAM) der FAA arbeitet an gleichwertigen Standards. Die Zertifizierung von Morphing- oder Smart-Material-Systemen erfordert neue Testmethoden, da bestehende Ermüdungs- und Haltbarkeitsannahmen möglicherweise nicht gelten. Unternehmen wie Wisk und Volocopter engagieren sich bereits mit Regulierungsbehörden zu diesen Themen.

Testen von Paradigmen

Windkanaltests bleiben unerlässlich, insbesondere für transsonische Systeme, bei denen eVTOLs 150 bis 200 Knoten erreichen können. Allerdings sind umfassende Windkanaltests von eVTOL-Modellen mit rotierenden Propellern teuer. Stattdessen verlassen sich die Hersteller stark auf CFD und pilotierte Simulatoren, um Hochauftriebspläne zu definieren. Flugtests von Hochauftriebssystemausfällen in einer kontrollierten Umgebung (z. B. mit einem Fallschirmsystem) werden auch von den meisten Entwicklern geplant.

Marktdifferenzierung

Mit der Reife des eVTOL-Marktes könnte die Leistung von Hochauftriebsgeräten zu einem wettbewerbsfähigen Unterscheidungsmerkmal werden. Ein Flugzeug mit einer kürzeren Übergangszeit verbraucht weniger Batterieenergie und führt zu einer größeren Reichweite oder mehr Passagieren. Ruhigere Hochauftriebssysteme werden in geräuschempfindlichen städtischen Gebieten bevorzugt. Unternehmen, die zuverlässige, effiziente und leise Hochauftriebsgeräte zertifizieren können, werden einen erheblichen Vorteil erzielen.

Schlussfolgerung

Hochauftriebsgeräte sind vielleicht nicht die sichtbarste Komponente eines eVTOL-Flugzeugs, aber sie gehören zu den wichtigsten, um das Versprechen der Mobilität in der Stadtluft zu erfüllen. Von herkömmlichen einsetzbaren Klappen über formverändernde Flügel bis hin zur Zirkulationssteuerung entwickelt sich die Technologie schnell, um die einzigartigen Anforderungen des vertikalen Flugs zu erfüllen. Mit fortgesetzten Investitionen in Materialien, Steuerungen und integriertes Design werden Hochauftriebssysteme im nächsten Jahrzehnt leichter, intelligenter und leiser sein als alles andere in der Luftfahrt heute. Für Ingenieure, Regulierungsbehörden und die Öffentlichkeit bietet das Verständnis dieser Fortschritte ein klareres Bild davon, wie eVTOLs sicher und effizient in unseren zukünftigen Städten navigieren werden.