Flugzeugbau Die Revolution fliegt ohne Flügel

Der Airbus A380 ist ein fliegender Koloss - und markiert die Grenze des Machbaren im konventionellen Flugzeugbau. Doch es geht noch größer: Die Megajets der Zukunft lösen sich von der klassischen Bauweise mit Rumpf, Flügeln und Fenstern. Dafür bieten sie Platz für bis zu 1000 Passagiere.
Von Alexander Stirn

Die Zukunft der Luftfahrt stinkt. Nicht nach Kerosin, sondern nach Lösungsmittel. Nach Lack und Kunstharz. Es ist ein beißender Geruch, der durch die Werkstätten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig zieht. Hier, zwischen Werkbänken und Metallfräsen, entwickeln Forscher die nächste Generation von Verkehrsflugzeugen. Maschinen, die keinen Rumpf mehr haben. Jets, bei denen 1000 Passagiere im Flügel Platz nehmen können.

"Nurflügler" heißt der Traum, dem die Entwickler nicht nur in Braunschweig nachgehen. Er verspricht Flugzeuge, die sparsamer, größer, effizienter sind als all das, was derzeit durch die Lüfte schwebt.

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Nurflügler: Die fliegenden Flundern

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Denn kein Gesetz - weder ein physikalisches noch eines der Luftfahrtbehörden - schreibt vor, dass ein Flugzeug wie eine riesige blecherne Zigarre mit angeschraubten Flügeln und einem aufgesetzten Leitwerk aussehen muss. Trotzdem halten sich alle großen Passagiermaschinen daran. Die Boeing 707, deren Jungfernflug 1954 das moderne Jet-Zeitalter einleitete, unterscheidet sich äußerlich kaum vom Airbus A380 des Jahres 2006. Der hat zwar gewaltige Flügelflächen und ein immenses Gewicht, revolutionär ist der neue Gigant am Himmel aber nicht.

Er zeigt vielmehr, dass die konventionelle Technik des Flugzeugbaus ihre Grenzen erreicht hat. Noch größere Maschinen sind kaum mehr möglich - zumindest nicht mit vertretbarem Aufwand. Irgendwann wird der Rumpf zu groß, um ihn allein mit der Kraft der Flügel noch in der Luft halten zu können.

"Wo die A380 aufhört, fangen wir erst an", sagt DLR-Forscher Martin Hepperle. Vor dreieinhalb Jahren hat der Luft- und Raumfahrttechniker vom Flugzeughersteller Airbus die Eckdaten für den Entwurf eines Nurflüglers bekommen; seitdem basteln Hepperle und seine Kollegen an einem möglichst optimalen Modell. "Vela" heißt das europaweite Forschungsprojekt, kurz für "Very Efficient Large Aircraft", eine riesige fliegende Flunder, die so gar nichts mehr mit dem vertrauten Anblick auf Flughäfen zu tun hat.

"Der Rumpf eines konventionellen Jets trägt nichts zum Auftrieb bei, er leistet der Luft nur Widerstand", sagt Hepperle. Mehr Widerstand erfordert aber leistungsfähigere, schwerere Triebwerke und bedeutet letztlich einen unnötig hohen Kerosinverbrauch. So tragen bei einem herkömmlichen Passagierflugzeug nur 46 Prozent der Oberfläche zum Auftrieb bei. Bei einem Nurflügler, der auf unnützen Ballast verzichtet, sind es dagegen 97 Prozent. "Wir hoffen, mindestens zehn Prozent Kraftstoff damit einzusparen", sagt Hepperle. Vielleicht sogar 20 Prozent.

Auf dem Computermonitor des DLR-Ingenieurs beweist der Nurflügler bereits, was in ihm steckt. Farbverläufe von grün über gelb bis rot zeigen, mit welcher Geschwindigkeit die Luft über den flachen, breiten Bauch und die Stummelflügel pfeift. Immer wieder hat Hepperle am Rechner das Aussehen von Vela verändert. Er hat Auftrieb, Widerstand und Strömung simuliert, hat wieder und wieder an der Geometrie gefeilt, bis am Entwurf nichts mehr auszusetzen war. Doch hält die Simulation auch, was sie verspricht? "Wir können heute die Strömungsverhältnisse an sehr komplexen Körpern berechnen", sagt Hepperle. "Bei unkonventionellen Konstruktionen fehlen aber Erfahrungen und Vergleichsdaten - deshalb brauchen wir Modelle und Windkanalversuche."

Acht Monate hat es gedauert, bis Martin Jung, Konstruktionsleiter am DLR in Braunschweig, die Vela-Daten aus dem Computer in die Wirklichkeit umsetzen konnte - im Maßstab 1:50, ohne die kleinste Abweichung. Jungs Modellbauer haben die äußere Form des Nurflüglers in einen roten Block aus Epoxydharz gefräst. Sie haben die Form mit weißem Decklack ausgestrichen, sie haben Kohlefasergewebe mit Kunstharz getränkt und Schicht für Schicht in die Form gelegt. So lange, bis eine dünne, äußerst stabile Außenhaut entstand. Im Innern halten Kohlefaserspanten und stützender Schaum den Entwurf in Form. Sogar die Klappen an den hinteren Flügelkanten sind maßstabsgetreu montiert. Jung streicht fast zärtlich mit dem Finger darüber. "Das ist alles bis auf den Zehntelmillimeter genau. Mindestens."

Der Aufwand ist nötig: Die Braunschweiger Forscher wollen kein starres Modell in den Windkanal stecken. Vela soll sich im Luftstrom bewegen und dabei unterschiedliche Flugmanöver simulieren - vom Start bis zur Landung, mit wechselnden Geschwindigkeiten und Winkelstellungen. Ein herkömmliches Stahlmodell wäre dafür zu schwer. Leichte, extrem stabile Materialien sind gefragt. So wiegt das Vela-Modell trotz seiner zwei Meter Spannweite nur zehn Kilogramm, es erträgt Belastungen bis zu einer Tonne. "Wir könnten uns auf die Flügel stellen, das würde halten", sagt Jung.

Erste Testflüge im Windkanal geben den Ingenieuren Recht. In 80 Prozent der Fälle hat sich das mehrere 100.000 Euro teure Modell genauso verhalten wie zuvor errechnet, berichtet Hepperle. Damit daraus in Zukunft 100 Prozent werden, sollen die Erkenntnisse aus dem Windkanal nun in verbesserte Simulationen einfließen. Am Ende wird abermals ein Modell stehen. Die nächste Runde im Wettlauf um das Flugzeug der Zukunft kann beginnen. Doch schon jetzt steht für Hepperle fest: "Von der Flugmechanik her ist Vela zum Fliegen zu bringen."

Größte Herausforderung für die Entwickler: Leistungsfähige Nurflügler mit Spannweiten von fast 100 Metern haben keine besonders stabile Fluglage. Ihre ungewöhnliche Form verhindert einen Effekt, der herkömmliche Jets von alleine in der Luft hält: Verliert ein stabiles Flugzeug an Höhe, zum Beispiel durch Turbulenzen, wird es automatisch schneller. Die Flügel erzeugen mehr Auftrieb, die Maschine fängt sich selbst ab und fliegt geradeaus weiter. Beim instabilen Nurflügler müsste der Pilot dagegen ständig korrigieren - und das wahrscheinlich so schnell, dass ein Mensch dazu gar nicht in der Lage wäre.

Doch es gibt einen Ausweg: "Die Flugregelung lässt sich durch Elektronik in den Griff bekommen", sagt Hepperle. Bei instabilen Kampfjets wie dem Eurofighter wird das bereits erfolgreich so gemacht. Vier voneinander unabhängige Computersysteme halten die Maschine in der Luft; das Risiko, dass alle Rechner gleichzeitig ausfallen, kann vernachlässigt werden. Bei Passagierjets ist das aber nicht erlaubt. Der Pilot, so die Forderung der Luftfahrtbehörden, muss die Maschine jederzeit unter Kontrolle haben.

Ob Nurflügler nicht doch auch von Menschen in der Luft gehalten werden können, will eine Arbeitsgruppe an der Hamburger Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) herausbekommen.

"Raum 2-0133: Kunststoffverarbeitung" steht an der roten Stahltür, gut versteckt ganz hinten in den Katakomben der Hochschule. Hier, in einem fensterlosen Raum, mehr Bastelkeller denn Forschungslabor, haben die Studenten des Studiengangs Flugzeugbau in den vergangenen Jahren ihren ersten flugtüchtigen Nurflügler gebaut. Maßstab 1:30, 3,20 Meter Spannweite, 13 Kilogramm schwer, gut 150 Kilometer pro Stunde schnell. AC20.30 heißt das glänzend grau lackierte Modell mit den auffällig blauen Leitwerken. Der Name ist Programm: Spätestens im Jahr 2030 soll die ausgewachsene Variante zu ihrem Jungfernflug starten.

Bis es so weit ist, will das Team mit seinem Modell aber so viele Daten wie möglich sammeln. Ein gutes Dutzend Sensoren registriert während der Testflüge unter anderem Geschwindigkeit, Beschleunigung, Drehrate, Höhe und Anstellwinkel. Die Daten werden zusammen mit einem Videobild zur Erde gefunkt, ein erfahrener Modellpilot passt seine Flugmanöver an die Messwerte an. Gestartet wird auf dem ehemaligen Bundeswehrstützpunkt "Hungriger Wolf" in Itzehoe.

Flossenlose Flundern mit Computersteuerung: Warum die Passagiere sich auf ein völlig neues Fluggefühl einstellen müssen

Gut 20 Flüge hat AC20.30 bereits hinter sich gebracht - und dazu einen heftigen Absturz. "Damals bohrte sich die Maschine im 45-Grad-Winkel in den Acker", erinnert sich Kornelius Krahl, einer der gut 15 am Projekt beteiligten Studenten. "Zwei Monate waren wir damit beschäftigt, das Modell wieder aufzubauen." Dennoch attestiert Krahl dem Hamburger Nurflügler, in dem mittlerweile einige Tausend Stunden Arbeit und mehr als 100.000 Euro Entwicklungskosten stecken, ein sehr gutmütiges Flugverhalten: "Gas geben, hoch - der flog schon beim ersten Mal außergewöhnlich gut."

Jetzt wollen die Studenten die Winterpause nutzen, um die Elektronik des Modells zu verbessern - im Bauch der Maschine sieht es aus, als habe jemand einen Elektronikbaukasten ausgeschüttet. Zudem sollen die Flügel, bislang aus Holz und Styropor, durch stabilere Glasfaserschwingen ersetzt werden.

Die Flugleistungen indes haben auch Hartmut Zingel, Luft- und Raumfahrtingenieur an der HAW, überrascht. "Das Modell kann ganz normal, ohne künstliche Hilfe geflogen werden." Möglich macht das ein spezielles Flügelprofil, das sich allerdings nur bis zu einer Geschwindigkeit von 250 Kilometern pro Stunde bewährt hat. Darüber hinaus, vor allem aber bei einem echten Flugzeug, müsste das aerodynamische Konzept nochmals überdacht werden.

Ob dann auf eine rechnergestützte Stabilisierung tatsächlich verzichtet werden kann - ohne gleichzeitig die windschlüpfigen Eigenschaften einzubüßen -, lässt sich noch nicht sagen. Dennoch haben die Tests bereits jetzt interessante Aufschlüsse geliefert. "Wir haben im Flugversuch festgestellt, dass das Seitenleitwerk gar nicht so effektiv ist", sagt Aerodynamiker Zingel. "Es wäre durchaus denkbar, dass man darauf verzichten kann." Eine Einschätzung, die andere Entwickler-Teams teilen: Seit Anfang der 90er-Jahre beschäftigt sich die US-Weltraumbehörde Nasa mit Verkehrsflugzeugen im Nurflügel-Design. Viele Konfigurationen wurden bereits durchgespielt, das aktuelle Modell, zusammen mit dem Flugzeugbauer Boeing entwickelt, kommt ganz ohne Heckflosse aus.

Und es funktioniert trotzdem, wie die Nasa Ende vergangenen Jahres gezeigt hat, als sie ihre flossenlose Flunder erstmals frei im Windkanal fliegen ließ. Gesteuert von drei Piloten, kurvte das Vier-Meter-Modell durch die Lüfte. Gebogene Klappen an den hinteren Enden der Flügel und kleine, nach oben ragende Ruder an den Flügelspitzen gaben die Richtung vor. Nasa-Projektleiter Dan Vicroy war begeistert. "Diese spezielle Konfiguration flog großartig." Dennoch müssen sich Passagiere auf ein völlig neues Fluggefühl einstellen. Weit draußen im Flügel machen sich Turbulenzen besonders stark bemerkbar - nichts für schwache Mägen. Glück hat, wer ganz vorne sitzen kann, in der ersten Klasse. Hier geht es ruhiger zu. Breite Gänge, Ausblicke wie der Pilot, Bars und ähnlicher Komfort sollen das Reisen erträglich machen. In der Touristenklasse dagegen stellt sich die Frage "Gang oder Fenster?" nicht mehr. Im Heck eines Nurflüglers werden sich pro Reihe einige Dutzend Sitze drängen - auf zwei Decks. Fenster gibt es nicht: Flugzeugtypische Gucklöcher direkt im Flügel würden die Aerodynamik stören.

"Ob die Passagiere die fehlende Aussicht akzeptieren, ist eine der ganz großen Fragen", sagt Werner Granzeier, Flugzeugdesigner an der HAW. "Auf jeden Fall muss man ihnen eine Möglichkeit zur persönlichen Lageorientierung geben." Wo ist der Horizont? Legt sich die Maschine gerade in die Kurve? Ist es draußen noch Tag oder vielleicht schon Nacht? Antworten auf solche Fragen liefern Flachbildschirme an den Wänden, die Live-Bilder oder Animationen der Außenwelt in die Kabine übertragen. Kinosaalatmosphäre in zehn Kilometern Höhe. Die Designer denken zudem darüber nach, in der Kabine verschiedene Zonen einzurichten: für Kinder und Familien, Senioren und Geschäftsleute. Gebetsräume soll es geben, sogar Duschen. Auch die Infrastruktur muss angepasst werden. Tausend Passagiere wollen zeitgleich ihr Essen serviert bekommen, viele davon werden anschließend eine Toilette aufsuchen. "Früher hat man immer zuletzt daran gedacht, wie man die 'Nutzlast Mensch' auch noch ins Flugzeug reinpferchen kann", sagt Granzeier. "Das muss sich in Zukunft ändern."

Nicht nur das Interieur, auch die Form der Kabine beschäftigt die Ingenieure. "Eine Röhre ist leicht unter Druck zu setzen", sagt Nasa-Entwickler Vicroy, "bei einer nicht zylindrischen Form ist das deutlich schwieriger." Das Problem: Auf Reiseflughöhe ist die Außenluft bereits extrem dünn, die Kabine des Flugzeugs muss zum Atmen unter Druck stehen. Beim herkömmlichen Flieger mit seinem kreisrunden Querschnitt verteilen sich die Kräfte, die der Luftdruck von innen auf die Hülle ausübt, gleichmäßig auf den gesamten Rumpf. Beim flachen Nurflügler ist die Druckverteilung deutlich ungünstiger, die Kräfte auf Decke und Boden sind enorm. Eine Hülle aus Faserverbundwerkstoffen, wie sie auch in Formel-1-Cockpits zum Einsatz kommen, könnte helfen. Oder stabilisierende Säulen im Kabineninnern.

Die dürfen allerdings nicht im Weg stehen. Wie jedes Flugzeug muss auch ein vollbesetzter Nurflügler im Notfall innerhalb von 90 Sekunden evakuiert werden können. Mindestens acht überdimensionale Notausgänge werden dazu erforderlich sein - zusätzlich zu den normalen Türen. Allein die müssen so groß wie Frachttore ausfallen, damit die Passagiermassen zügig ein- und aussteigen können. Dennoch rechnet Granzeier damit, dass zwischen der Landung eines Nurflüglers und dem nächsten möglichen Start "mindestens zwei bis drei Stunden" vergehen werden.

Jede Minute, die eine Maschine untätig am Boden steht, ist indes verlorene Zeit. Der Hamburger Flugzeugdesigner Frank Heyl hat sich für den Entwurf seines fliegenden Flügels mit dem Namen Aeolus daher ein völlig neues, modulares Kabinenkonzept ausgedacht: Bereits beim Einchecken nimmt sich jeder Passagier statt eines Gepäckwagens ein rollendes Sitzmodul. Er verstaut seinen Koffer in einem Fach unter dem mobilen Sessel, schiebt das Ganze durch die Sicherheitskontrolle bis zum Gate. Dort werden die einzelnen Sitzmodule samt Passagier auf Schienen in einen Container geschoben, festgezurrt, für den Flug fertig gemacht. Und das lange bevor die Maschine landet.

Ist der Flieger da, müssen nur die an Bord befindlichen Kabinenelemente durch die bereits am Gate gefüllten Container ausgetauscht werden - wie Patronen in einem Tintenfüller. Riesige Gabelstapler könnten diese Aufgabe übernehmen. Die Zeit am Boden wäre nur noch durch das Auftanken limitiert. "Man kann nirgendwo mehr Zeit sparen als bei der Abfertigung", sagt Heyl. Die patente Passagierverladung hat noch einen weiteren Vorteil: Der Aeolus mit seinen 150 Metern Spannweite kann draußen auf dem Rollfeld parken und nimmt am Terminal keinen Platz weg.

Auch sonst beweist Heyls Konzept Mut zur Einzigartigkeit. Während die Hamburger und Braunschweiger Entwürfe noch immer Flugzeugnase, Bauch und Heck erahnen lassen, ist Aeolus nichts als Flügel. Das Konzept basiert auf einer Nasa-Studie, die Ende der Siebzigerjahre als Kleinflugzeug 79-mal in die Luft gegangen ist. "Oblique Wing", nennt sich die Idee, "schiefer Flügel".

Die Tragfläche steht dabei nicht senkrecht zur Flugrichtung, sie wird - abhängig von der Geschwindigkeit - mehr oder weniger stark gedreht: So bilden Flügel und Rollbahn beim Start einen Winkel von 45 Grad. Im schnellen Reiseflug gleitet der elliptische Flügel sogar beinahe seitwärts. Das höhere Tempo erzeugt Auftrieb, die Angriffsfläche für den Wind kann verringert werden. Bis zu 1,6-fache Schallgeschwindigkeit lässt sich damit erreichen, schätzt Heyl, fast doppelt so viel wie mit konventionellen Passagierjets. Berechnungen, die der 26-Jährige zusammen mit dem DLR durchgeführt hat, zeigen: Der Widerstand des fliegenden Bügelbretts liegt bei einem Zehntel eines vergleichbaren Flügels. Und, so Heyl stolz: "Im Computer ist das Ding schon geflogen." HAW-Aerodynamiker Zingel ist zurückhaltender.

"Der 'Oblique Wing' geht schon wieder einen Schritt über das Konzept des Nurflüglers hinaus." Der allerdings könnte - wenn sich einer der großen Flugzeugbauer noch heute dafür entscheidet - bereits in sieben oder acht Jahren zu seinem Jungfernflug starten. Dass es so schnell geht, ist aber eher unwahrscheinlich. Boeing denkt darüber nach, Nurflügler zunächst nur als Fracht- oder Tankflugzeuge einzusetzen. Und Airbus lässt zwar viel forschen, hält sich selbst aber bedeckt. Zunächst soll die A380, in deren Entwicklung gerade 14 Milliarden Euro geflossen sind, erfolgreich starten und einige Jahrzehnte Geld in die Kassen bringen.

Steigende Kerosinkosten, strengere Lärmvorschriften und die - glaubt man den Prognosen - weiter wachsenden Passagierzahlen könnten die Flugzeughersteller aber schneller zum Handeln zwingen, als ihnen lieb ist und den Nurflügler in die Lüfte heben. "Der Markt muss das nur wollen", sagt DLR-Forscher Hepperle, "alles andere ist technisch in den Griff zu bekommen."

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