Case Study: Strömungsmessung an Flugzeugoberflächen
FlexMEMS – Flexibles MEMS-Sensorpad für Strömungs- und Akustikmessungen an Flugzeugstrukturen
Ausgangslage
Turbulente Grenzschichten auf Flugzeugaußenhäuten regen die Struktur an und sind ein wesentlicher Treiber für Kabinenlärm, Strukturvibrationen und Einschränkungen bei leichten, lärmoptimierten Kabinen- und Rumpfkonzepten.
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erforscht unter anderem aerodynamische Strömungsphänomene und deren Auswirkungen auf Flugzeugstrukturen. Es verfügt über langjährige Erfahrung in der Vermessung turbulenter Grenzschichten – sowohl im Flugversuch als auch im Windkanal
Die bei vorangegangenen Forschungsprojekten eingesetzte Messtechnik (in der Regel größere Einzelsensoren oder starre Mikrofonarrays) stößt an Grenzen: Zu grobe räumliche Auflösung, aufwändige, störanfällige Installation, ortsfeste Arrays im Windkanal und wenig flexibel bei der Positionierung. Außerdem gibt es keine Messmöglichkeiten direkt auf der realen Flugzeugaußenhaut.
Das Ergebnis: Es fehlen hochaufgelöste, realistische Daten zur tatsächlichen Grenzschichtanregung – sowohl im Flugversuch als auch im Windkanal.
Projektziel
Im Verbundprojekt FlexMEMS sollte ein neuartiges Sensorpad entwickelt werden, das:
- extrem flach und mechanisch flexibel ist
- eine hohe Integrationsdichte von MEMS-Mikrofonen (bis zu 100 Sensoren pro Pad) ermöglicht
- minimal intrusive Messungen direkt auf der Flugzeugaußenhaut zulässt („akustisches Pflaster“)
- für Flug- und Windkanalanwendungen modular skalierbar ist.
Durch den parallelen Einsatz mehrerer Pads soll die Genauigkeit bei der Schallquellenortung und -quantifizierung im Windkanal um den Faktor 10 verbessert werden.
Verbundprojekt & Förderung
Das Projekt FlexMEMS wurde im Rahmen des deutschen Luftfahrtforschungsprogramms „LuFo V, 3. Aufruf“ gefördert, das Industrie und Forschung bei der Entwicklung innovativer und sicherer Luftfahrttechnologien unterstützt. Das Luftfahrtforschungsprogramm LuFo V wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Projektpartner waren:
- DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Experimentelle Verfahren für strömungsgerechtes Design, Auslegung der Sensoranordnung, Integration und Test unter Strömungsbedingungen
- gbm mbH für High-Level-Software, Treiber, OS-Anbindung, Datenmanagement
- und D.SignT für die Systemarchitektur, Hardwareentwicklung, Firmware, Datentransfer, Synchronisation.
Kundenstimmen
Mit FlexMEMS können wir ein hochauflösendes Mikrofonarray an allen kritischen Stellen auf der Flugzeugaußenhaut einsetzen. Die hohe Anzahl kleiner dichtgepackter Sensoren ermöglicht dabei erstmals eine hohe Auflösung der physikalisch-interessierenden Druckschwankungen in der Grenzschicht, ohne die Strömung maßgeblich zu stören. Die enge Zusammenarbeit mit D.SignT und gbm hat es ermöglicht, das komplexe System bis zu einem funktionsfähigen Forschungsprototypen für Windkanal- und Flugversuche zu bringen.
Die Datenraten und Synchronisationsanforderungen im FlexMEMS-Projekt sind anspruchsvoll. Auf der Basis der von D.SignT entwickelten Hardware und durch die sehr gute technische Zusammenarbeit konnten wir eine skalierbare Softwareplattform aufbauen, mit der sich mehrere Sensorpads parallel betreiben und die Daten zuverlässig erfassen und auswerten lassen.
Technische Umsetzung im Verbundprojekt
Rolle von D.SignT
D.SignT war für die Entwicklung der kompletten Erfassungs- und Übertragungselektronik verantwortlich – inklusive Systemarchitektur, Hardwaredesign, Firmware und Echtzeitbetriebssystem.
Das flexible Mikrofonpanel wurde räumlich von der Datenerfassungselektronik (Mems-DSP) getrennt, um eine strömungsgünstige Integration zu ermöglichen. Pro Sub-Prozessor können 32 MEMS-Mikrofone angebunden werden; das System ist auf bis zu 100 Sensoren pro Pad ausgelegt.
Für Datenübertragung, Stromversorgung und Synchronisation kommt 100Base-T-Ethernet mit Power over Ethernet zum Einsatz. Ein Mems-Concentrator bündelt mehrere Module, übernimmt die Takterzeugung und ermöglicht skalierbare Array-Strukturen.
Rolle von gbm
gbm verantwortete die durchgängige Softwarearchitektur des FlexMEMS-Systems – vom Sub-Prozessor über den Konzentrator bis zum Steuer-Computer. Ziel war eine skalierbare und echtzeitfähige Plattform, die die hohen Anforderungen an Datenrate und Synchronität zuverlässig erfüllt.
In enger Abstimmung mit D.SignT optimierte gbm Datendurchsatz, Synchronisation und Systemstabilität. Die entwickelte Software ermöglicht die Konfiguration aller Module, die sichere Aufzeichnung hoher Datenraten sowie die Live-Visualisierung der Messdaten – und macht das Gesamtsystem im Windkanal wie im Flugversuch praxistauglich einsetzbar.
Rolle des DLR
Das DLR brachte seine wissenschaftliche Expertise in der Vermessung turbulenter Grenzschichten aus Windkanal- und Flugversuchen ein. Es definierte die messtechnischen und aerodynamischen Anforderungen, legte das Sensorkonzept aus und integrierte das System in realistische Versuchsaufbauten.
Darüber hinaus entwickelte das DLR spezielle Auswerteverfahren, mit denen sich die anregenden Druckschwankungen auf der Flugzeugaußenhaut präzise analysieren lassen. Durch die experimentelle Validierung unter realistischen Strömungsbedingungen stellte das DLR sicher, dass FlexMEMS wissenschaftlich belastbar und für anspruchsvolle Flugversuche geeignet ist.
Ergebnisse & Innovationsgehalt
Das entwickelte Messsystem zeigt, dass das flexible MEMS-Sensorpad:
- hochpräzise Druckschwankungen im turbulenten Grenzschichtbereich erfasst
- phasenstarr und synchron über viele Kanäle misst
- sich strömungsgünstig integrieren lässt
- detaillierte Analysen von Wirbelsystemen im Windkanal ermöglicht
Validierung
Im Projektverlauf wurden umfangreiche Umwelt- und Funktionstests durchgeführt. Das System bestand Kälteprüfungen bis –60 °C, EMV-Tests im Labor und am Flugzeug sowie Windkanalversuche bei Strömungsgeschwindigkeiten bis 43 m/s ohne Sensorausfälle.
Innovationsgehalt
- neuartiges, flexibles Sensorpad als „akustisches Pflaster“ mit hoher Kanalzahl
- freie Positionierung im Windkanal, unabhängig von fest installierten Mikrofonwänden
- deutliche Reduktion des Installationsaufwands im Flugversuch
- Grundlage für leisere und leichtere Flugzeugkabinen sowie optimierte Struktur- und Antriebskonzepte
Fazit & Ausblick
FlexMEMS zeigt deutlich, wie sich moderne MEMS-Sensorik, flexible Leiterplattentechnik und eine maßgeschneiderte DSP-Elektronik zu einem völlig neuen Typ von Messsystem verbinden lassen. Das Sensorpad ist schnell zu installieren, liefert eine sehr hohe räumliche und zeitliche Auflösung und bleibt auch unter anspruchsvollen Bedingungen wie Kälte, hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder EMV-Belastung stabil im Betrieb.
Für den Erfolg entscheidend war die enge und konstruktive Zusammenarbeit der drei Partner: Das DLR steuerte die aerodynamischen und messtechnischen Anforderungen sowie die Versuchsumgebung bei. D.SignT konstruierte darauf basierend eine robuste und leistungsfähige Hardwarearchitektur, während gbm die Software entwickelte, um die Messdaten zu bündeln, für die Auswertung aufzubereiten und zu speichern.
Auf dieser Basis sind künftig größere Array-Geometrien, modular skalierbare Lösungen mit mehreren Pads und weitere Windkanal- sowie Flugversuche möglich. Darüber hinaus eröffnet die Technologie Perspektiven für industrielle Anwendungen in der Akustik, Strömungsdiagnostik und der strukturellen Überwachung – auch jenseits der Luftfahrt.
Das Potenzial des Systems zeigt sich auch darin, dass FlexMEMS für einen Testflug auf einem Airbus A320 zugelassen und dabei erfolgreich getestet wurde.
Sie planen ein hochintegriertes Messsystem für Strömungs- oder Akustikmessungen? Sprechen Sie mit uns über flexible MEMS-Arrays und maßgeschneiderte Messtechnik Baugruppen.