Sichere und zulassungsfähige Ribletlösungen für zukünftige Flugzeuggenerationen

Das im Jahr 2026 gestartete Forschungsprojekt soll die Energieeffizienz von Verkehrsflugzeugen durch die Weiterentwicklung und den erweiterten Einsatz von Ribletfolien deutlich steigern. Ausgehend von bereits nachgewiesenen Kraftstoffeinsparungen durch die Applikation auf Rumpf und Triebwerken sollen neuartige dreidimensionale Ribletstrukturen entwickelt werden, die weitere lokale Reibungsreduktion ermöglichen und die Einsparung bei gleicher Fläche um 50% erhöhen können. 

Mithilfe Simulationen werden optimierte Ribletkonzepte für transsonische Tragflächen entwickelt und über den gesamten Betriebsbereich untersucht. Darüber hinaus soll die Anwendung der Riblets auf Tragflächen und Leitwerke ausgeweitet werden, wodurch sich die bisherige Kraftstoffreduktion perspektivisch verdoppeln lässt. 

Die entwickelten Konzepte werden durch Öl-, Windkanaltests und Flugversuche mit einem DLR-Forschungsflugzeug validiert. 

Ziel ist der Nachweis einer sicheren, leistungssteigernden und zulassungsfähigen Anwendung der Riblettechnologie für zukünftige und bestehende Verkehrsflugzeuge.

Ziel des Teilvorhabens HTW ist die Entwicklung einer hoch flexiblen, empfindlichen und robusten Sensorarraylösung zur instationären Wanddruckmessung. Dies erfolgt mittels dehnbarer und flexibler piezoelektrischer Folien (Polyvinylidenfluorid Folie). Die flexible Folie erlaubt hoch integrierte und dichte Sensorarrays, die auf unterschiedliche Oberflächen applizierbar sind. Entsprechende Folien können für hoch dynamische, großflächige Druckmessungen eingesetzt werden und sollen eine hohe Dehnung ermöglichen. Bei Standardmaterial wie Silizium oder Metallverbindungen liegt die Dehnbarkeit zum Vergleich bei nur etwa 2,7%. Halbleiterbasierte Drucksensoren können deswegen nicht auf 3D-Oberflächen integriert werden und sind zu dem teuer. Das Prinzip zur Messung des Wanddrucks mittels piezoelektrischer Folien basiert auf kraftproportionaler Ladungsverschiebung innerhalb der Folie, die mit Hilfe eines Ladungsverstärkers detektiert werden kann. Somit können Druckschwankungen unter Berücksichtigung der aktiven Sensorfläche ermittelt werden. Zur Realisierung eines Sensor-Arrays wird die Metallisierung auf einer Seite der Folie mittels additives Verfahren realisiert, so dass ein Feld von elektrischen Abgriffen entsteht. Die vollflächige Metallisierung auf der anderen Seite bildet die gemeinsame Gegenelektrode. Die Anordnung ähnelt einem Plattenkondensator-Array, wobei eine der Elektroden (Oberseite) auf gleichem Potenzial liegt und die Piezofolie das Dielektrikum darstellt.

Nach Definition der Anforderungen werden unterschiedliche Elektrodendesigns dimensioniert und mit FEM (Finite Element Methode. COMSOL ist vorhanden an HTW) simuliert. Ein optimiertes Design wird festgelegt und im Reinraum-Labor der HTW realisiert. Dazu werden Herstellungsprozesse zur großformatigen Realisierung von Elektroden entwickelt und optimiert. Dabei können Druck-Methoden (z.B Siebdruck oder Ink-Jetten) eingesetzt werden. Unterhalb der strukturierten Elektroden ist die Folie als aktiv gekennzeichnet und im sonstigen Bereich als passiv deklariert. So sind flexible Sensor-Arrays für die unterschiedlichsten Oberflächen möglich, da Anzahl, Form und Größe der Sensorelemente (elektrische Abgriffe) lediglich durch den Druckprozess der Metallisierung bestimmt werden.

Ferner wird eine vertikale Sensoranordnung - Sensorfolie, Justierung, Interconnection und Durchkontaktierung - entwickelt. So können neue Methoden der Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt werden, die aufgrund der geringeren Chipgröße eine Steigerung der Ortsauflösung ermöglichen.

Die Sensorsignale sind aufgrund der kleinen Ladungsmengen störanfällig und das Basismaterial ist neben dem piezoelektrischen Effekt auch dem pyroelektrischen Effekt unterworfen, was ein temperaturanfälliges Sensorverhalten zur Folge hat. Deshalb sollen im Rahmen des Arbeitspakets auch ein Schirmungskonzept für die Sensorarrays und eine T-Kompensation entwickelt werden. Angestrebt wird eine robuste Sensorlösung für über 55°C.

• Prof. Dr.-Ing. Ha Duong Ngo(Projektleitung)

• Leon Guth(Projektmitarbeiter_in)

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