NASA Langley Research Center: Pionier der aeronautischen Innovation

Die heute als Langley Research Center bekannte Einrichtung wurde 1917 unter dem Vorgänger der NASA – dem National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) – gegründet, was sie zum ersten zivilen aeronautischen Labor in den Vereinigten Staaten machte. Der Bau begann noch im selben Jahr in der Nähe von Hampton, VA auf dem Langley Field.

1931 wurde der damals größte Windkanal der Welt mit einem 30 × 60-Fuß-Testabschnitt fertiggestellt, bekannt als Langley Full Scale Tunnel. Der Tunnel konnte ganze vollgroße Flugzeuge der Zeit untersuchen und war maßgeblich an Drag-Cleanup-Studien für fast jedes US-Jagdflugzeugdesign der Weltkriegs-Ära beteiligt. Der Full Scale Tunnel testete später die Mercury-Raumkapsel, das Lunar Lander Testfahrzeug, F-16, Konzepte für Überschalltransporter und das Space Shuttle.

Langleys National Transonic Facility nutzt flüssigen Stickstoff, um Flugbedingungen genauer zu modellieren und liefert einige der präzisesten Windkanaldaten der Welt. Seit Inbetriebnahme Anfang der 1980er Jahre lieferte es Daten für Boeing 777 und 767, die Space-Shuttle-Startkonfiguration, Business-Jet-Konzepte und das Orion-Launch-Abort-System.

Als die NASA begann, sich den Herausforderungen der bemannten Raumfahrt zu stellen, trug Langley zum Bemühen bei. Die Space Task Group, die bis zu ihrem Umzug nach Houston Anfang der 1960er Jahre in Langley ansässig war, plante das frühe US-Raumfahrtprogramm. Langley-Mitarbeiter entwarfen die Lunar Landing Facility, einen 250 × 400 Fuß langen Fachwerkträger mit einem Lunar Lander, der an einem Kabelsystem hing, das alle bis auf 1/6 des Landergewichts trug und dazu diente, alle Apollo-Astronauten für die Mondlandung zu trainieren. Als das Apollo-Programm auslief, wurde die Einrichtung umgebaut, um instrumentierte Vollbild-Flugzeuge und Hubschrauber aufzuhängen, die unter Absturzbedingungen freigegeben wurden, um die Crashworthiness von Flugzeugen zu verbessern. Mit der Entwicklung des Orion-Konzepts wurde die Einrichtung genutzt, um die Belastungen bei der Landung von Orion zunächst auf Boden und mit Hinzufügung eines Hydro-Impact-Beckens bei einer Wasserlandung zu verstehen.

Mitte der 1960er Jahre entwarf Langley einen Rendezvous- und Docking-Simulator zum Training von Gemini- und Apollo-Astronauten. Das System hing eine vollgroße Gemini- und später Apollo-Kapsel von der Decke des Langley Research Hangars ab. Der Simulator wurde mittlerweile abgebaut, aber das Aufhängesystem bleibt in der Hangardecke.

Langley unterstützt heute NASA-Ziele für Aeronautik, Exploration, Wissenschaft und Weltraumtechnologie mit einer Vielzahl von Flugsimulatoren, Windkanälen, Laboren und Computersoftware.

Aeronautik

Ob es darum geht, küstenübergreifende Überschall-Passagierflüge möglich zu machen oder Flugzeuge sicherer, leiser und treibstoffeffizienter zu gestalten – Langleys Aeronautik-Experten führen Ideen vom Zeichenbrett in die Realität.

In Zusammenarbeit mit der Federal Aviation Administration (FAA) führten Langley-Forscher einen Test durch, der Experten hilft, die Absturzsicherheit von Flugzeugen zu bewerten. Mit dem Ziel, Todesfälle zu reduzieren, ließen Forscher ein vollgroßes F-28 Fokker Transportflugzeug in Langleys Landing and Impact Research Facility fallen, um Daten für Computermodelle zu generieren, die die Crashworthiness messen. Die Daten helfen, Standards für die innovativen Flugzeuge von morgen zu setzen.

Die NASA öffnete weiterhin Möglichkeiten für zukünftige leise Überschallflüge durch ihre Low-Boom Flight Demonstration Mission. Für diese Mission teilt Langley die Managementverantwortung für die Entwicklung des X-59 Quiet SuperSonic Technology Flugzeugs und leitet Pläne zur Bewertung der Reaktion auf den Schall des X-59 in mehreren US-Gemeinden – ein Schritt zur Aufhebung der aktuellen Verbote für Überschall-Überlandflüge.

Langley-Forscher testeten erfolgreich das eXternal Vision System des X-59. Es ersetzt ein nach vorne gerichtetes Cockpit-Fenster durch eine Kombination aus Sensoren, Kameras und Computerdisplays, die dem Piloten eine Augmented-Reality-Sicht nach vorne geben. Es wird für den Erstflug des X-59 bereit sein, der für dieses Jahr geplant ist.

Langley testet auch neue effiziente Flugzeugkonzepte und untersucht vollelektrische Technologien, um das Fliegen sowohl sauberer als auch leiser zu machen. Mit Boeing entwarfen, bauten und testeten Langley-Forscher ein transonisches Truss-Braced-Wing-Modell, das zu treibstoffeffizienteren Flugzeugen führen könnte. Sie trugen auch Designmethoden und Analysen für die X-57 Maxwell bei, NASAs erstes vollelektrisches Experimentalfugzeug.

Mit erschwinglichen elektrischen Drohnen, die den Markt überschwemmen, und Unternehmen, die Geld in Konzepte wie Lufttaxis und autonome Personalflugzeuge stecken, scheint ein neues Luftfahrtzeitalter anzubrechen. In Langley entwickelte Drohnensicherheitstools adressieren die Praktikabilitäten von pilotlosem Flug: Wie man unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) davon abhält, wo sie nicht hinfliegen sollen, wie man Kollisionen untereinander verhindert und wie man ihnen hilft, in Notfällen sicher zu landen.

Um zu verstehen, wie neue Luftfahrzeuge in Städten operieren werden, erstellte ein Forscherteam die Langley Aerodrome No. 8, ein elektrisches Flugzeug, das wie ein Hubschrauber startet. Das unbemannte Fahrzeug, mit 3D-gedruckten Teilen erstellt, wurde in Langleys 12-Fuß-Low-Speed-Windkanal getestet. Neben Autonomie erforscht Langley eine Vielzahl anderer Themen, die für neue Luftfahrzeuge entscheidend sind: Luftverkehrsmanagement, Flugverbotszonen, Kommunikations- und Leitsysteme, sichere Flugverfahren und Lärmunterdrückung.

Langley entwickelte auch zwei neue Implementierungen akustischer Auskleidungen zur Flugzeuglärmreduzierung, bei denen gekrümmte Kanäle in engen Räumen zur Lärmreduzierung ausgestattet werden können. Die beiden Implementierungen sind Flap-Side-Edge-Liner und Landing-Gear-Door-Liner für Airframe-Lärmreduzierung. In diesen Anwendungen ist der akustische Liner primär darauf ausgelegt, Flugzeuglärm während der Landung zu reduzieren, was Flugzeugen hilft, zunehmend strengere Flughafelärmschutzauflagen einzuhalten.

Weltraum

Langley bringt aktiv Innovatoren, Architekten, Wissenschaftler und Ingenieure zusammen, um kleine Nutzlasten schnell und effizient ins All zu bringen. Kleine Satelliten (smallsats) – von der NASA als Raumfahrzeuge definiert, die 180 Kilogramm (397 Pfund) oder weniger wiegen – können der Agentur helfen, Wissenschaft und bemannte Exploration voranzutreiben, indem sie neue Optionen für Kostensenkung bei Weltraummissionen und Erweiterung des Zugangs zum All bieten.

Shields-1, eine Strahlenschutz-Demonstration, wurde Langleys erstes erfolgreiches frei fliegendes Smallsat-Projekt. Auf einer 2018er Raketenstarts von Rocket Lab startete es zusammen mit einer Reihe anderer Demonstrationen und Experimente in die Umlaufbahn. Shields-1 testete neues Abschirmmaterial, das in Langley entwickelt wurde.

Die leistungsstarke Space Launch System Rakete wird bahnbrechende NASA-Missionen einleiten. Langleys Aerosciences-Team testete Konfigurationen im Unitary Plan Wind Tunnel, 14 × 22-Fuß-Subsonic-Tunnel und National Transonic Facility Windkanal des Zentrums.

NASAs erfolgreicher Ascent Abort-2 Testflug war ein wichtiger Schritt zum Schutz der Astronauten, die bald Missionen zum Mond und eines Tages zum Mars antreten werden. Das Orion Launch Abort System Programm, das in Langley gemanagt wird, stellt sicher, dass das Abort-System bei Bedarf bereit ist.

Etwa halb so groß wie eine Computermaus, wird die Stereo Camera for Lunar Plume Surface Studies (SCALPSS) in diesem Jahr als Nutzlast an Bord eines Intuitive Machines Nova-C Mondlanders zum Mond reisen. Vier der winzigen Kameras zeigen NASA-Forschern, was unter einem Raumfahrzeug passiert, wenn es auf dem Mond landet. SCALPSS liefert wichtige Daten über den Krater, der durch den Raketenstrahl des Landers bei dessen finalem Abstieg und Landung auf der Mondoberfläche entsteht.

Daten von SCALPSS liefern Computermodelle, die nachfolgende Landungen informieren. Die SCALPSS-Kameras, die um die Basis des Landers platziert werden, beginnen mit der Überwachung der Kraterbildung ab dem präzisen Moment, in dem der heiße Motorstrahl des Landers beginnt, mit der Mondoberfläche zu interagieren. Die Kameras erfassen weiterhin Bilder, bis nach Abschluss der Landung. Diese finalen Stereobilder, die auf einer kleinen Onboard-Datenspeichereinheit gespeichert und dann an den Lander zum Downlink zurück zur Erde gesendet werden, ermöglichen Forschern die Rekonstruktion der endgültigen Form und des Volumens des Kraters.

Langley formt auch Technologien für robotische Konstruktion im Weltraum, die längere, entferntere Missionen ermöglichen. Das Lightweight Surface Manipulation System wird von Unternehmen genutzt, die ausgewählt wurden, Nutzlasten auf dem Mond zu landen. Durch eine Reihe von On-Orbit Servicing, Assembly und Manufacturing Projekten lernen Forscher, wie man Robotik und Autonomie nutzt, um Infrastruktur auf dem Mond und im Weltraum zu bauen.

LiDAR

Light Detection and Ranging (LiDAR) hat sich als leistungsstarkes und vielseitiges Werkzeug für die NASA etabliert. Langley entwickelte Flash LiDAR für Echtzeit-Geländekartierung und synthetische visionsbasierte Navigation. Um die in einer Sequenz von 3D-Bildern, die mit Videoraten aufgenommen werden, inhärente Information zu nutzen, entwickelte Langley auch einen eingebetteten Bildverarbeitungsalgorithmus, der diese Bildsequenz simultan korrigieren, verbessern und relative Bewegung ableiten kann, indem er sie in ein hochauflösendes 3D-Synthesebild verarbeitet.

Traditionelle Scanning-LiDAR-Techniken erzeugen ein Bild Frame für Frame durch Raster-Scanning eines Bildes, einen Laserpuls pro Pixel nacheinander, während Flash LiDAR ein Bild ähnlich wie eine gewöhnliche Kamera aufnimmt und ein Bild mit einem einzigen Laserpuls erzeugt. Die Vorteile von Flash LiDAR ermöglichen autonomes visionsbasiertes Guidance und Control für robotische Systeme.

Navigation Doppler LiDAR (NDL) wird in Betracht gezogen, um sichere und präzise Landungen auf Planetenkörpern zu gewährleisten. NDL, das Fahrzeuggeschwindigkeit und -position präzise misst, könnte der NASA helfen, die erste Frau und den nächsten Mann auf dem Mond zu landen.

Technologien

• Remote, Noninvasive, Cardiac Activity Tracer (RENCAT) – Dieser Laser-Vibrometer-Sensor überwacht Herzaktivitäten remote und nicht-invasiv; speziell Herzfunktionen von Ventil-/Kammeröffnungs- und Schließzyklen (Herzyklen). Das Gerät liefert präzise Amplituden- und Timing-Informationen fern vom Herzbereich ohne Störung durch Patientenbekleidung.

• Hydrophobe Epoxidbeschichtung zur Insektenhaftungsminderung – Fluorierte Alkylether-haltige Epoxide dienen als Anti-Insekt-Beschichtung. Die robuste und langlebige Beschichtung wurde zur Verbesserung der Flugzeugeffizienz entwickelt, könnte aber in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich sein, wo Reduzierung von Insektenrückständen erwünscht ist, wie in Automobil- und Windenergieindustrie.

• Blitzschutz und Schadensdetektion – Die patentierte SansEC-Sensortechnologie ist eine bewährte drahtlose Sensings-Plattform, die die elektrische Impedanz physikalischer Materie in Nähe zum Sensor basierend auf einer Änderung ihrer Resonanzantwort messen kann. Der Sensor zeigt eine einzigartige Eigenschaft, den Blitzstrom zu dispersen, um Blitzschäden zu mindern. In einer Turbinenschaufel-Anwendung deckt ein Array von SansEC-Sensoren die Oberfläche der Verbundschaufel ab und bietet sowohl Blitzschutz als auch Schadensdetektion.

• Drahtloser Temperatursensor ohne elektrische Verbindungen – Dieser Sensor benötigt keine elektrische Verbindung und basiert auf der SansEC-Sensorplattform, die die Messung dielektrischer Änderungen nutzt. Der Sensor ist schadentolerant, flexibel, präzise und kostengünstig. Eine vielversprechende Anwendung ist für Reifentemperatursensoren.

• 3D-Drucker Teststation – Eine Teststation wurde entwickelt, die in-situ-Tests von Materialauftrag und Schichthaftung in einem Extrusions-Additive-Manufacturing-Prozess ermöglicht. Die Technologie adressiert das Problem der Überwachung der Bauteilqualität während des 3D-Druckprozesses. Das Novum ist, dass der Test in situ stattfindet, während das Bauteil gebaut wird.

• Drahtloser Sensor für Pharmazeutische Verpackung und Überwachungsanwendungen – Der SansEC-Sensor kann für pharmazeutische Anwendungen ohne physischen Kontakt genutzt werden. Viele Attribute eines Behälters können überwacht werden, wie Flüssigkeits- oder Pulverfüllstand, Temperatur des Inhalts und durch Verderb verursachte Veränderungen. Manipulation kann ebenfalls detektiert werden.

Technologietransfer

Das technische Wissen und die Daten des Langley Research Centers stehen Lizenznehmern für Kommerzialisierung zur Verfügung. Kontaktieren Sie NASAs Licensing Concierge unter Agency-licensing@nasa.gov oder rufen Sie 202-358-7432 an, um Lizenzgespräche zu initiieren. Erfahren Sie mehr über NASA Langley hier.