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Cottbus schafft das Ingenieurlabor der Zukunft

Technik und Wissenschaft Cottbus schafft das Ingenieurlabor der Zukunft

Die Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg forscht seit über zehn Jahren gemeinsam mit Rolls-Royce an der Triebwerkstechnik der Zukunft. Ausgefeilte Computersimulationen beschleunigen die Entwicklungen und machen teure Modelle und Zwischenschritte für die Antriebe der Flugzeuge obsolet. Jetzt wird am virtuellen Ingenieurlabor gearbeitet.

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Cottbus. Mit ihren 3D-Brillen steht die Gruppe vor der Projektion des Triebwerks. „Vielleicht sollten wir uns noch einmal auf den Verbrauch in der Brennkammer konzentrieren und da mit dem anderen Faktor arbeiten“, sagt einer. Mit einem Knopfdruck auf die Datenpistole in seiner Hand macht der Mitarbeiter von Rolls-Royce in Dahlewitz (Teltow-Fläming) das Bauteil des Triebwerks aus der Projektion sichtbar. Der aus dem englischen Gloucester ins virtuelle Entwicklungslabor zugeschaltete Rolls-Royce-Chefingenieur Mark Wainwright widerspricht. Er macht an seinem Standort auch eine Bewegung mit seiner Datenpistole. In Dahlewitz ist daraufhin die Schaufel zu sehen. Nur wurde jetzt ein Detail verändert. Der Dahlewitzer Ingenieur nickt. Ja, so könnte es freilich auch gehen, denkt er.

Mit Schub in die Luft

Triebwerke sind der Antrieb moderner Verkehrsflugzeuge. Sie erzeugen den Schub, der dazu führt, dass riesige Flieger am Himmel bleiben.

Mantelstromtriebwerke werden in Dahlewitz produziert. Sie sind die vorherrschende Form des sogenannten Strahltriebwerks. Das wiederum funktioniert auf Grundlage der Rückstoßwirkung eines gebündelten Luftstrahls.

Am Einlass des Mantelstromtriebwerks wird Luft eingesaugt. Das erste große Schaufelblatt-Rad, der sogenannte Fan, beschleunigt diese Luft. Am Randbereich des Triebwerks wird ein sogenannter Nebenstrom am restlichen Triebwerk vorbeigeleitet und hinten ausgestoßen. Im Innenbereich des Triebwerks wird der sogenannte Kernstrom erzeugt. Dort wird die angesaugte Luft verdichtet und sogar leicht abgebremst. Sie gelangt aber ins „eigentliche Triebwerk“, eine Gasturbine.

Treibstoff kommt zur verdichteten Luft hinzu. Die Verbrennung erhöht Volumen und Druck. Daraus entstehen die Schubkräfte für das Flugzeug.

Das virtuelle Labor, in das sich die Mitarbeiter von Rolls-Royce weltweit einklinken, um neueste Flugzeugtriebwerke über alle Entfernungen hinweg gemeinsam zu entwickeln, ist noch Zukunftsmusik. Aber Klaus Höschler, Professor für Flug-Triebwerksdesign an der Brandenburgisch-Technischen Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg, sagt, bis spätestens 2025 werden die Rolls-Royce-Triebwerke auf diese Weise entstehen. Höschler und seine zwölf Kollegen an der BTU arbeiten seit über zehn Jahren mit Rolls-Royce am sogenannten University Technology Centre (UTC) zusammen.

In Dahlewitz ist man Avantgarde

Rolls-Royce in Dahlewitz ist auch dank dieser Unterstützung Avantgarde. Dort können sich die Ingenieure seit diesem September mit Hilfe sechs hoch auflösender Projektoren schon jetzt im Inneren rein virtueller Triebwerke bewegen und die Darstellung mit Datenpistolen manipulieren. Das System kann zum Beispiel das Triebwerk BR725 in den Raum zaubern. Das Treibwerk ist der Antrieb des Geschäftsjets „Gulfstream G650“.„Simulationen miteinander zu vergleichen kostet erheblich weniger als Prototypen zu bauen“, sagt Firmensprecher Frank-Martin Hein.

Jetzt müssten eigentlich nur noch die anderen Rolls-Royce Standorte mitziehen und die Datenübertragung müsste stimmen – dann wäre das gemeinsame virtuelle Ingenieurbüro komplett. Daran arbeitet der Professor für Medientechnik an der BTU, Christian Hentschel. Ohne ihn wäre man in Dahlewitz wahrscheinlich noch nicht so weit wie jetzt. Techniken für Virtual Reality gibt es zwar in Fülle, aber Hentschel und sein Team mussten für ihre spezielle Darstellung viel feilen. Normalerweise spiele zum Beispiel die Farbgebung bei Gafiken keine zentrale Rolle. Die Simulation der Triebwerke soll aber so natürlich wie möglich sein. „Deswegen haben wir von vorneherein Wert darauf gelegt, dass die Farbwiedergabe gut ist“, so Hentschel. Besonders stolz ist die Truppe darauf, dass sie es geschafft hat, den 3D-Effekt ohne Helligkeitsverlust hinzubekommen. Ihren Kniff stellte sie sogar auf der Ifa in Berlin vor.

Forschen am Prototyp des virtuellen Labors

„Im aktuellen Forschungsprojekt versuchen wir das selbe Triebwerk sowohl in Cottbus und in Dahlewitz darzustellen.“ Die Verbindung wird sozusagen zum Prototyp des internationalen Ingenieurlabors. Das Team will klären, was genau bei so einer Schaltung dargestellt werden muss. Müssen zum Beispiel auch die Ingenieure des anderen Standorts als Hologramme in den Raum projiziert werden? Wie viel Wert muss auf die Stimmwiedergabe gelegt werden? Und welche Rechenleistung erfordert das?

Hentschel will sogar mehr. Das ganze System soll intelligent werden und zum Beispiel begreifen, wann die Ingenieure nur untereinander reden und wann sie einen Befehl an den Rechner richten, der die Darstellung ändern soll. Ihm schwebt die perfekte Illusion von um eine 3D-Projektion zusammengeschaltete Ingenieure im weltweit vernetzten virtuellen Labor vor. Noch sei ein solches intelligentes System ein Traum. Aber Hentschel ist optimistisch: „Vor 25 Jahren hätte ich auch das Smartphone für Science-Fiction gehalten.“

Das virtuelle Labor ist aber nur ein kleiner Teil, dessen, was an der BTU erforscht wird, sagt der Flug- und Triebwerksdesigner Klaus Höschler. Ihm geht es darum, die Simulationen im Computer ständig zu verbessern. Das beschleunige auch die Triebwerksentwicklung.

Als Beispiel nennt Höschler den Verdichter. „Aerodynamisch ist das eine hochkomplexe Sache“, sagt er. Hier spielen unzählige Faktoren zusammen, bei denen die Lösung nur durch ausgefeilteste Methoden errechnet werden können. „Es sind oft tausende Varianten zu berechnen“, so Höschler. Früher brauchten die Entwickler für die Verbesserung solcher Triebwerke ein halbes Jahr, mit heutiger Computersimulation ist die gleiche Arbeit in einer Woche getan. Am Ende steht eine detaillierte Zeichnung mit allen Größen und eine direkte Handlungsanweisung für vollautomatische Fräs- und Fertigungsmaschinen. Höschler ist sicher, dass im Jahr 2025 alle Triebwerke ohne Zischenstufen vollständig am Rechner entwickelt werden.

Bessere Triebwerke entstehen im Rechner

„Die Ergebnisse sind auch deutlich besser, als wenn Sie das händisch machen“, sagt Höschler. Auch deshalb sind die Triebwerke in den vergangenen Jahren immer sparsamer, effizienter und leiser geworden. Der Spritverbrauch konnte durchschnittlich halbiert werden, die Produktion von umweltschädlichen Stickoxiden wurde teilweise um 70 Prozent gesenkt, das Triebwerk des legendären A 350 ist so leise, dass man eigentlich nur noch ein sonores Rauschen wahrnimmt. Auch ganz andere Fertigungsweisen sind dank der Rechner möglich. So werden heute die sogenannten Verdichter-Räder im Triebwerk zusammen mit dem Schaufeln aus einem Stück gefräst.

Früher mussten die Triebwerkschaufeln nachträglich einzeln in das Scheibenrad eingesetzt werden. Die extrem feinen Strukturen aus einem Stück zu fräsen, sei heute nur möglich, weil man den Schnitt im Computer berechnen könne. Der sei zum Beispiel auch in der Lage, das komplexe Schwingungsverhalten der Schaufeln zu berechnen und so Beschädigungen im Betrieb zu verhindern. Gerade zu diesem Aspekt der Berechnung hat die BTU eigene Methoden entwickelt. „Vor 40 Jahren wäre das noch nicht möglich gewesen“, sagt Höschler. Solche aus einem Stück gefräste „Blisks“ – zusammengesetzt aus „Blade“ für Schaufel und „Disk“ für Scheibe – machen den Rotor leichter, er kann die Strömung besser führen und sogar höhere Drehzahlen fahren.

Höschler denkt noch weiter. „Der nächste Schritt ist sicher, das Triebwerk stärker in die Flugzeugzelle zu integrieren.“ Bislang ist es ein an das jeweilige Flugzeug zusätzlich angehängtes Teil. Flieger der Zukunft könnten sicher auch Teile der Steuerung über das Triebwerk statt über Klappen und Ruder erledigen. Die Aerodynamik solcher Fluggeräte wäre eine ganz andere. Sie hätten deutlich weniger Widerstand und wären folglich auch sparsamer. Eine ganz andere Möglichkeit ist die von teilweise batteriegetriebenen Propellern. Wie immer die Gedankenspieler von Höschler und seinen Kollegen ausgehen werden, eines ist sicher: umgesetzt werden die Ideen in der Computersimulation und wahrscheinlich dann auch schon im internationalen virtuellen Ingenieurbüro.

Von Rüdiger Braun

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