Nurflügler

Mit dem Nurflügler in die Lüfte

Ohne Rumpf verspricht die Verteilung der Nutzlast über die gesamte Flugzeugfläche einen geringeren Kerosinverbrauch. Nach ersten Umsetzungen in der militärischen Luftfahrt könnten große, zivile Nurflügler in Zukunft bis zu 750 Passagiere befördern.

Computergrafik eines Flugzeuges in Form eines Rochens.
Modell eines Nurflügler-Passagierjets

Elegant wie ein Rochen könnten die Flugzeuge der Zukunft durch die Lüfte gleiten. Statt eines zylindrischen Rumpfes mit angesetztem Leitwerk und Tragflächen bestehen die „Nurflügler“ nur noch aus einer flachen Hülle mit dreieckigem Grundriss. Die Entwickler versprechen sich von diesem Design vor allem eine bessere Aerodynamik. Das anvisierte Ziel: deutlich leiser fliegen mit radikal gesenktem Kerosinverbrauch. Der geringere Lärmpegel könnte durch einen Abschattungseffekt der Triebwerke erreicht werden, die oberhalb der Flügel montiert wären.

Nurflügler-Konzepte schon über 100 Jahre alt

Foto von einem geschwungenen, flachen und transparenten Flugsamen
Natürliches Vorbild für Nurflügler-Jets

So futuristisch die Nurflügler-Konzepte erscheinen, die Idee für die ungewöhnliche Rumpfform ist bereits über 100 Jahre alt. 1903 ließ sich der Österreicher Ignaz Etrich von den Flugsamen einer asiatischen Kletterpflanze – Zanonia macrocarpa – inspirieren. Nur mit einer durchsichtigen, etwa zehn Zentimeter breiten Flughaut bespannt, kann der Samen vom Wind getragen einige hundert Meter weit durch die Luft segeln. Etrich sicherte sich 1905 ein Patent auf diesen Nurflügler, nur bis zu einem realen Flugzeug reichte es damals nicht.

In den folgenden Jahrzehnten entstanden zahlreiche Prototypen, die auf dem Nurflügler-Konzept aufbauten. In den 1930er Jahren konstruierten die Horten-Brüder in Deutschland einen Motorsegler, der von einem Heckpropeller angetrieben wurde. Sogar ein Jagdflugzeug, das wegen seiner Form kaum von Radarwellen geortet werden sollte, wurde unter Federführung der deutschen Luftwaffe während des 2. Weltkriegs entwickelt. Sicher starten und landen konnte es jedoch nie. Aufgegriffen wurde die Idee der Nurflügler in der Nachkriegszeit von amerikanischen Flugzeugentwicklern. Doch es blieb vorerst bei den Prototypen Northrop YB-35 und Northrop YB-49.

Foto eines fliegenden Nurflügler-Flugzeugs über karger Landschaft.
Prototyp eines militärischen Nurflüglers

Bis heute kommt nur ein US-amerikanischer Militärjet den Visionen eines Nurflüglers nahe. Ohne Leitwerk steht der Langstreckenbomber B-2 Spirit im Dienst der US-Luftwaffe. Wegen seiner kantenarmen Struktur gilt er als Tarnkappen-Flugzeug, das nur schwer von Radarwellen geortet werden kann. Die aerodynamischen Vorteile sind dagegen eher nachrangig und auch die Steuerung gilt als so schwierig, dass sie nur mit intensiver Unterstützung von Computern möglich sein soll. Stabiler soll der Flug des Experimentalflugzeugs X-48 von Boeing sein. Auf 80 erfolgreiche Testflüge brachte es der Prototyp mit drei kleinen Düsentriebwerken und einer Spannweite von 6,4 Metern in den vergangenen vier Jahren. Bald soll eine weitere Version mit nur zwei Düsentriebwerken folgen.

Erst seit wenigen Jahren rückt die zivile Nutzung von Nurflüglern wieder in das Interesse von Flugzeugentwicklern. Sparsamkeit steht dabei im Mittelpunkt. „Bei gleicher Nutzlast ließen sich bis zu 20 Prozent Treibstoff sparen“, sagt Carsten Liersch, Flugzeugexperte am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig. Genau einschätzen lasse sich das heute aber noch nicht, da viele Punkte noch ungeklärt seien. Um mehr über Nurflügler zu lernen, entwickelte nun das DLR zusammen mit dem Flugzeugbauer Airbus und zahlreichen europäischen Partnern mehrere Konzepte und schließlich auch Modelle für ein „Very Efficient Large Aircraft“ – kurz VELA. Bis zu 750 Passagiere könnten in dem bauchigen Nurflügler Platz finden.

Mehr Auftrieb bei gleichem Kabinenvolumen

„Insgesamt besitzen solche Nurflügler bei gleichem Nutzlastvolumen viel weniger umströmte Oberfläche als ein konventioneller Jet“, erklärt Liersch. Dadurch reduzieren sich der Reibungswiderstand und die Fluggeräusche deutlich. Um eine Vorstellung der Aerodynamik von Nurflüglern zu bekommen, unternahmen die Wissenschaftler auch Messungen im Windkanal.

Grafik: links oben ein normales Flugzeug: nach unten deuten gelbe Balken an, dass es besonders in der Mitte unter der Kabine und an den Triebwerken Gewicht aufweist. Demgegenüber verteilt sich der Auftrieb gleichmäßiger, was nach oben als blaue Blase dargestellt ist. Der Nurflügler rechts unten hat einen wesentlich breiteren Rumpf und im Verhältnis dazu kurze Flügel. Auftrieb und Gewicht sind ebenso nach oben und nach unten aufgetragen, aber zeigen hier fast symmetrische, glockenähnliche Verläufe.
Auftriebsverteilung im Vergleich

Durch die Nurflügelform fielen auch die Biegemomente des Flugzeugs viel kleiner aus als bei einer Rumpf-Flügel-Konstruktion. Das Ergebnis: Bei gleicher Stabilität müsste weniger Material verbaut werden und das Leergewicht würde sinken. Doch der größte Vorteil liegt in der völlig neuartigen Aerodynamik der Nurfügler. „Der Auftrieb wird dort produziert, wo auch die Last ist“, sagt Liersch. Bei konventionellen Flugzeugen erzeugt die Luftströmung an den Tragflächen den notwendigen Auftrieb und muss die „auftriebsfreie“ mittlere Kabinenröhre quasi als Ballast mit anheben. Dabei sorgt nur knapp die Hälfte der gesamten Oberfläche des Jets für Auftrieb. Beim Nurflügler sind es dagegen rund 97 Prozent – weshalb auch die Triebwerke kleiner und damit sparsamer ausfallen können.

Parallel zu den Windkanal-Versuchen analysierten die DLR-Forscher auch die Druckverteilung entlang der VELA-Oberflächen mit aufwendigen Computersimulationen. Dank der Nurflügelform verteilen sich diese Belastungen gleichmäßiger über die gesamte Außenhülle. Mit modernen Werkstoffen wie faserverstärkten Verbundmaterialien, die schon in ersten konventionellen Jets verbaut werden, wird so eine ausreichend stabile und dennoch vergleichsweise leichte Bauweise möglich. Starten und landen können diese ersten VELA-Modelle allerdings nicht.

Erste Testmodelle erheben sich in die Luft

Diesen nächsten Schritt wagten Forscher um Rudolf Voit-Nitschmann vom Institut für Flugzeugbau an der Universität Stuttgart. Aufbauend auf den VELA-Modellen konstruierten sie einen Nurflügler-Prototyp mit 3,3 Metern Spannweite. Angetrieben wird er von einer Jetturbine für Modellbauflugzeuge. Ferngesteuert absolvierte dieses Flugmodell mehrere Testflüge und konnte auf bis zu 200 Kilometer pro Stunde beschleunigt werden. Auch ohne unterstützende Computerprogramme ließ sich dieser Nurflügler sicher manövrieren. Vollgepackt mit zahlreichen Sensoren – vom Staurohr für die Geschwindigkeit bis zu Beschleunigungssensoren für die auf die Konstruktion wirkenden Kräfte –, konnten die Forscher viele Daten über das Flugverhalten sammeln.

Fensterloser Raum, in dessen Mitte das Modell eines Nurflügler auf einem Ständer befestigt ist.
Windkanal-Versuche mit dem VELA-Modell

„Für uns Aerodymiker sind diese Modellflüge allerdings nicht so interessant“, sagt Liersch. Denn das Verhalten eines Modellfliegers im Maßstab 1:50 lässt sich nicht einfach auf einen großen Passagierjet übertragen. Die wichtigen aerodynamischen Kennzahlen wie die Reynoldszahl, mit der sich das Turbulenzverhalten umströmter Körper beschreiben lässt, weichen stark von einem Flugzeug im 1:1-Maßstab ab. Auch in Bezug auf die Stabilität eines Nurflüglers sind solche Modellflieger wenig aussagekräftig, da beispielsweise die Eigenschwingungen, die es wegen Resonanzeffekten zu vermeiden gilt, in einem ganz anderen Frequenzbereich liegen. Zudem sind laut Liersch auch die Flächenbelastungen und das Verhältnis zwischen Gewicht und Schub relevante Kenngrößen, die sich von Modellen nur eingeschränkt auf größere Flugzeuge übertragen lassen.

Ob jemals ein Nurflügler mit hundert Meter Spannweite abheben wird, kann auch Liersch nicht vorhersagen. Auch die Akzeptanz bei den Passagieren spiele dabei eine wesentliche Rolle. Denn einerseits müssten bis zu 40 Personen in einer Reihe sitzen, Fensterplätze wären die seltene Ausnahme. Zudem wirkten an den Randplätzen deutlich größere Beschleunigungskräfte selbst bei einem sanften Kurvenflug. „Ob das Passagiere tatsächlich ertragen wollen, halte ich eher für fraglich“, sagt Liersch. Daher wird an Nutzungsplänen gearbeitet, bei denen die Passagiere nicht bis zum Rand des Flugzeugs sitzen werden. „Es gibt sicher noch einigen Forschungsbedarf“, so der DLR-Forscher. Der zivile Nurflügler stellt noch eine große Herausforderung dar, die allerdings bewältigt werden könnte.

Wirtschaftlichkeit entscheidet über den Erfolg der Nurflügler-Entwicklung

Nicht zuletzt wird auch die Wirtschaftlichkeit der Nurflügler eine entscheidende Rolle spielen. Aber reicht eine Spritersparnis von 30 Prozent tatsächlich aus, um Milliarden an Entwicklungsgeldern für einen Großraum-Nurflügler zu rechtfertigen? „Dass es prinzipiell geht, ist keine Frage“, ist Liersch überzeugt. Aber von Anfang an müsste ein Nurflügler besser und sparsamer sein als die seit 50 Jahren optimierten Konstruktionen konventioneller Flugzeuge. Ein anspruchsvolles Ziel mit hohem Erfolgsdruck: „Denn Flugzeugbauer können sich einen Flop einer neuen Entwicklung nicht leisten.“