Brancheninterview: Joost Hakkaart und Andreas Bergmann, Deutscher

Deutsch-Niederländische Windkanäle/Duits-Nederlandse Windtunnels (DNW) ist eine der führenden Organisationen Europas für Windkanaltests. DNW wurde 1976 gegründet und hat eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Luftfahrtsektors gespielt. Das internationale Joint Venture genießt so hohes Ansehen, dass es vielleicht treffender wäre, es als europäische Institution und nicht als bloße Organisation zu bezeichnen.

Der Hauptstandort von DNW in Marknesse in den Niederlanden beherbergt zwei Unterschall-Windkanäle mit insgesamt sieben Anlagen an vier Standorten in den Niederlanden und in Deutschland, von Unterschall bis Überschall. Es ist außerdem die Heimat einer Expertengruppe, die einige der fortschrittlichsten experimentellen aerodynamischen Simulationsmöglichkeiten der Branche bereitstellen kann.

Das Herzstück von Marknesse ist der größte Windkanal Europas, die 9,5 m breite Large Low Speed ​​Facility (LLF). Die akustischen Qualitäten des LLF und die Genauigkeit der aeroakustischen Tests, die das LLF 1981 in Betrieb nehmen kann, haben es im Laufe der Jahrzehnte zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Ingenieure in vielen hochkarätigen Programmen gemacht. Die Windkanäle von DNW wurden bei der Entwicklung aller Airbus-Flugzeuge eingesetzt , vom A300 bis zum A380 und A400M, sowie zahlreiche Hubschrauber. Sie wurden für Programme außerhalb Europas eingesetzt, beispielsweise für die Embraer E-Jet-Familie. Darüber hinaus waren die Einrichtung und ihre Experten maßgeblich an der Entwicklung mehrerer Militärflugzeuge beteiligt, darunter des Eurofighter und der F-35 STOVL-Variante (Short Takeoff and Vertical Landing).

Auch heute noch steht dieses Beispiel europäischer Luftfahrtzusammenarbeit an der Spitze der Tests und Validierung in der Luft- und Raumfahrt. Durch die Investition von Millionen Euro in seine Anlagen und die gleichzeitige enge Zusammenarbeit mit der Industrie wachsen die Fähigkeiten von DNW sowie die Kundenliste für zivile und militärische Flugzeugtypen stetig.

Für zukünftige neuartige Flugzeugkonfigurationen sind Windkanaltests neuartiger Antriebssysteme mit Propellern erforderlich

Wenn Sie das Management von DNW zum ersten Mal treffen, müssen Sie sicherstellen, dass Sie nicht doppelt sehen. Joost Hakkaart und Andreas Bergmann sind beide Generaldirektoren von DNW. Hakkaart fungiert im Namen der niederländischen Seite und Bergmann im Namen der deutschen Seite. Obwohl ungewöhnlich, ist die Anordnung nicht einzigartig in der Geschichte von DNW und scheint harmonisch genug zu sein. Die Direktoren haben einen ähnlichen Hintergrund und stammen beide aus ihren jeweiligen niederländischen und deutschen Luft- und Raumfahrtforschungsagenturen.

Bergmann und Hakkaart tragen jeweils die Gesamtverantwortung für den erfolgreichen Betrieb, die Wartung und die Weiterentwicklung der sechs weiteren Einrichtungen des LLF und DNW. DNW ist so schlank wie möglich strukturiert und ermöglicht es den Niederlanden und Deutschland, jeweils Fähigkeiten zu behalten, die den Luft- und Raumfahrtmarkt bedienen. Die drei Abteilungen von DNW: Aerodynamik, Messung und Betrieb sind in beiden Ländern vertreten und bedienen zwei Standorte in Deutschland und zwei Standorte in den Niederlanden.

Die Direktoren von DNW sind fröhlich und optimistisch. Nach einer Phase im letzten Jahrzehnt, in der Arbeitsaufwand und Personal zurückgingen, sind die Windkanäle von DNW nun wieder zu 80 bis 100 % ausgelastet. Von einem Tiefstand von 76 Mitarbeitern im Jahr 2020 gehen sie davon aus, dass die Zahl der Mitarbeiter im nächsten Jahr auf 120 ansteigen wird, was einer Rückkehr zu einem Niveau entspricht, das zuletzt in den 2000er Jahren erreicht wurde.

„Wir brauchen mehr Personal, damit wir in den Tunneln Doppelschichten fahren können. Wir haben deutlich mehr zu tun als vor Corona“, sagt Hakkaart. „Eine nachhaltige Luftfahrt und neuartige Antriebssysteme werden stark vorangetrieben. Es werden völlig neue Flügelkonfigurationen entwickelt, die von gemischten Flügeln bis hin zu langen, schlanken Flügeln reichen, und es werden auch Untersuchungen zur laminaren Strömung an Flugzeugteilen im Klein- und Originalmaßstab durchgeführt.

„Die Leistung und das Verhalten dieser Art neuartiger Konfigurationen sind mit CFD nicht einfach vorherzusagen, was bedeutet, dass der Umfang der erforderlichen experimentellen Validierung zugenommen hat.“

In den Windkanälen von DNW werden weitere Antriebssysteme – Propeller und Rotoren sowie Motorkonzepte für neue Kraftstoffe wie Wasserstoff und batterieelektrische Systeme – auf Leistung und Lärm getestet. Die Einführung von Distributed Electrical Propulsion (DEP)-Systemen, bei denen mehrere Propeller an verschiedenen Stellen am Flügel und Rumpf eines Flugzeugs installiert werden, verkompliziert die Aerodynamik auf neue und schwer vorhersehbare Weise.

„OEMs verbringen pro Programm ungefähr die gleiche Zeit mit der Nutzung der Windkanäle, aber aufgrund der zunehmenden Instrumentierung und parallelen Messtechniken hat sich die Menge der gesammelten Daten deutlich erhöht.“

„Mit der Elektrifizierung und der bevorstehenden Urban Air Mobility sehen wir auch, dass die Zahl der verschiedenen und neuen Kunden wächst“, sagt Hakkaart.

Der große transsonische Windkanal von DNW wurde modernisiert, um die Strömungsqualität und die Testproduktivität zu verbessern

In den Niedriggeschwindigkeitsanlagen wurde in Hochspannungsinfrastruktur sowie Hochleistungselektromotoren investiert, um die Erprobung elektrischer Antriebsstränge für neue Flugzeuge zu unterstützen. Derzeit wird beispielsweise an der Installation eines Prüfstands für elektrisch angetriebene Antriebe mit einer Leistung von 320 kW innerhalb des begrenzten Raums von 110 mm Durchmesser und 280 mm Länge gearbeitet, der anstelle von Turbofan-Antriebssimulatoren verwendet werden soll. Darüber hinaus besteht ein wachsender Teil der Arbeit von DNW in der Erprobung neuer Designs und Modifikationen einsatzfähiger Flugzeuge für den Verteidigungssektor. Um diesen Markt besser bedienen zu können, wurde der Hochgeschwindigkeitswindkanal (HST) von DNW dem größten Modernisierungsprogramm seit 25 Jahren unterzogen.

„Wir haben uns den militärischen Märkten und der Entwicklung von Kampfflugzeugen zugewandt, da es sich dabei um einen größeren Markt für transsonische Windkanäle handelt“, sagt Hakkaart. „Angesichts der Fluglage, der Art der Konfiguration und all der Dinge, die sie unter den Flügeln hängen, sind bei Militärflugzeugen oft experimentelle Arbeiten erforderlich.“ Perforierte Ober- und Unterwände wurden installiert, um die Auswirkungen von Stoßwelleninterferenzen unter Testbedingungen zu reduzieren nahe Mach 1 im HST. Steuerungs-Upgrades zur Erhöhung der Modell- und Mach-Steuerungsgeschwindigkeit haben die Produktivität des Tunnels verdoppelt. „Während wir sprechen, erhöhen wir die Kompressorkapazität durch den Einbau einer zusätzlichen Stufe von Kompressorschaufeln, um die Leistung bei Überschallbedingungen zu verbessern“, fügt Hakkaart hinzu.

„Die meisten transsonischen Windkanäle stammen aus den 1950er und 60er Jahren und um sie zu verbessern, braucht man ein tiefes Verständnis ihrer Funktionsweise“, sagt Bergmann. „Wie die meisten anderen Einrichtungen haben wir im Laufe der Jahrzehnte durch den Generationswechsel der Ingenieure viel Wissen über unsere transsonischen Windkanäle verloren.“

„Um das HST zu verbessern, unterstützten CFD-Experten von DLR und NLR die Verbesserungen mit Einblicken in die Strömungsphysik im transsonischen Makrobereich in sehr kurzer Zeit. Dadurch konnten wir die Verbesserungen mit einem hohen Maß an Sicherheit durchführen, dass sie funktionieren würden.“ Ein Großteil dieser Arbeit wurde während der Covid-19-Pandemie geleistet.“

Eine weitere Auswirkung der Pandemie war die Entwicklung von Ferntests. DNW bietet diesen Service weiterhin an, um die Produktivität der Kunden zu verbessern. Bergmann sagt: „Die Bereitstellung von Daten aus der Ferne bedeutet, dass der Kunde nicht reisen muss. Es hilft uns auch, agiler zu sein, unser Zeitplan muss nicht so fest sein.“

Eine ständige Herausforderung für den Luft- und Raumfahrtsektor ist seine zyklische Natur – ein unglückliches Ergebnis der notwendigerweise umfangreichen und langwierigen Test- und Entwicklungsprogramme für Flugzeuge. Obwohl der Sektor derzeit einen Aufschwung der Entwicklungsaktivitäten erlebt, wissen die Direktoren von DNW, dass dieser nicht ewig anhalten wird. Obwohl das Unternehmen sowohl militärische als auch kommerzielle Märkte bedient, hat es sich auch auf den Automobilsektor ausgeweitet.

Der 2022 erbaute und 2023 in Betrieb genommene Automotive Test Section (ATS) am LLF ist ein zu drei Vierteln offener Testbereich mit einem Laufbandsystem, der für die Prüfung größerer Autos und kleiner LKWs bis zu 3,5 Tonnen entwickelt wurde. Es umfasst außerdem einen Flachbahnprüfstand, der die erforderlichen Koeffizienten liefert, um nicht nur den Luftwiderstand, sondern auch den inneren Antriebsstrangwiderstand gemäß WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure) zu bestimmen.

Das ATS kann sowohl für die WLTP-Zertifizierung im Automobilmarkt als auch für innovative Luftfahrtkonzepte eingesetzt werden.

„Die Automotive Test Section erweist sich für die Entwicklung von eVTOL-Flugzeugen als nützlich. Wir brauchen die beweglichen Bandsysteme nicht, um Bewegungen am Boden nachzubilden“, sagt Bergmann.

„Daher unterstützen wir die Entwicklung vor allem bei den Start- und Traversalbedingungen bis hin zum Vorwärtsflug.“ Ursprünglich hatten wir einen separaten Boden, der aufgebaut werden musste, aber mit dem ATS können wir ihn in die Rennstrecke hinein und wieder heraus verschieben Luftkissen und wechseln Sie es an einem Tag.

Das neue Modellsteuerungssystem des großen transsonischen Win-Tunnels ermöglicht eine Anstellwinkelschwankung von bis zu 1°/s

Die Bemühungen zur Effizienzsteigerung führen zu einer gesteigerten Produktivität der Windkanäle und einer höheren Verfügbarkeit für externe Kunden. Die Verfügbarkeit der Einrichtungen bei DNW kann sehr unterschiedlich sein. Die Windkanäle, insbesondere der LLF, müssen in der Regel etwa 12 Monate im Voraus gebucht werden, wenn wochenlange Tests erforderlich sind. Kurze Testkampagnen von zwei oder drei Tagen können jedoch normalerweise mit einer Frist von einigen Wochen durchgeführt werden. Die Zukunft von DNW basiert auf einem Kern militärischer und fortgeschrittener ziviler Arbeit in neuartigen Bereichen. „Unsere Strategie für die nächsten fünf Jahre konzentriert sich auf Elektrifizierung, Nachhaltigkeit und eVTOLs und berücksichtigt nicht nur Flugzeugzellen, sondern auch Antriebe“, sagt Hakkaart.

„Das Einzigartige hier ist, dass wir über eine Reihe kleinerer Windkanäle verfügen, die den LFF und den CFD ergänzen. Wir bieten ein Komplettpaket.“

„Wir müssen die Herausforderung bewältigen, ein wachsendes Unternehmen zu sein und gleichzeitig den Anforderungen hochkomplexer Tests gerecht zu werden und die Effizienz zu steigern“, sagt Bergmann.

DNW hat es geschafft, eine feste Größe bei Tests in der Luft- und Raumfahrt zu sein und kann auf eine glorreiche Geschichte zurückblicken. Aber seine Rolle endet nicht. Dank kontinuierlicher Investitionen in Einrichtungen und Fachwissen kann das Unternehmen auf die sich verändernden Bedürfnisse der Luftfahrt reagieren, seine zukünftige Relevanz sicherstellen und bleibt an der Spitze der Luft- und Raumfahrttests und -validierung.

DNW betreibt mehrere komplementäre Windkanäle und Projekte beginnen oft im kleineren LST oder NWB für isolierte Vortests, bevor das integrierte Gesamtmodell im großen LLF getestet wird.

Ein aktuelles Beispiel ist auch das Projekt Clean Sky 2 IRON (Innovative turbopROp-Konfiguration), das eine Reduzierung des Kabinengeräuschs um 6 dB anstrebt, ohne das Leistungsniveau der Basislinie zu beeinträchtigen.

Nach Vortests im Niedriggeschwindigkeitswindkanal LST wurden die aerodynamische und aeroakustische Validierung der im Rahmen des IRON-Projekts entwickelten geräuscharmen Propeller bei DNW-HST und LLF bei Reisegeschwindigkeit bzw. niedriger Geschwindigkeit erfolgreich durchgeführt. Zum ersten Mal in dieser Größenordnung wurde der Propeller sowohl im HST als auch im LLF elektrisch angetrieben. Vorläufige Testergebnisse bestätigen das Potenzial des optimierten Propellers, bei hohen Reisegeschwindigkeiten zu arbeiten und gleichzeitig den Kabinenlärm deutlich zu reduzieren, wie von den numerischen Modellen vorhergesagt.

Joost Hakkaart ist seit 2021 im Auftrag des NLR – Königlich Niederländisches Luft- und Raumfahrtzentrum Direktor von DNW (Deutsch-Niederländische Windkanäle).

Hakkaart begann seine Karriere 1990 als Praktikant bei DNW und arbeitete bis 2004 als Projektmanager und Leiter der Windkanal-Projektgruppe in Amsterdam. Bis 2012 war er leitender Forschungs- und Entwicklungsleiter für Vertikalflugtechnologie bei NLR. In den neun Jahren, bevor er DNW-Direktor wurde, leitete er die Abteilung Vertikalflug und Aeroakustik des NLR.

Hakkaart vertritt DNW und NLR in der EREA Technology and Research Infrastructures Group (TRIG), um gemeinsame Initiativen im Zusammenhang mit Forschungsinfrastrukturen innerhalb von EREA zu initiieren, zu koordinieren, umzusetzen und zu überwachen. Im Namen von DNW ist Hakkaart Mitglied der Beratungskommission der NLR Aerospace Division.

Andreas Bergmann has been director of DNW (German-Dutch Wind Tunnels) on behalf of DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) since April 2018.

Nach einer Tätigkeit an der Technischen Universität Braunschweig zum Thema Aerodynamik an schlanken Flügeln und Canard-Konfigurationen arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter für Windkanalversuche am Institut für Aerodynamik und Strömungsphysik des DLR. 1998 wechselte er als Leiter der Langsamfahranlage DNW-NWB zu DNW. Von 2012 bis 2015 war er im Auftrag von DNW als Berater für die Planung und Konstruktion von Großanlagen für die Automobilindustrie tätig. Im Jahr 2015 übernahm er die Position des Business-Unit-Managers für alle DNW-Windkanäle in Deutschland.

Neben seiner Führungserfahrung ist Bergmann mit der Systementwicklung und -konzeption bestens vertraut und hat mehrere führende Windkanalanlagen realisiert und Systeme für Windkanalumgebungen entwickelt.