TU-Flex

Ökologische und kommerzielle Anforderungen prägen eine neue Generation von effizienteren und umweltfreundlicheren Flugzeugen. Diese neuen Anforderungen haben die Entwicklung von Flexible Aircraft (FA) und Very Flexible Aircraft (VFA) vorangetrieben. Das Hauptmerkmal von FA/VFA sind Tragflächen mit hoher Streckung. Eine Erhöhung der Streckung führt zu einer Steigerung des aerodynamischen Wirkungsgrads. Dies bedeutet, dass ein größeres Verhältnis zwischen Auftrieb und Widerstand erzeugt wird, was zu einer Verringerung des Treibstoffverbrauchs und der Kohlenstoffemissionen führt und die Umweltauswirkungen des Flugzeugs verringert. Um die strukturellen Anforderungen zu erfüllen und das Gewicht der Struktur so weit wie möglich zu reduzieren, verwenden die Konstrukteure Verbundwerkstoffe, die jedoch haben diese Materialien auch nichtlineare Auswirkungen auf das strukturelle Verhalten. Das Ergebnis sind sehr lange und flexible Tragflächen. Eine Erhöhung des Streckungsverhältnisses und der strukturellen Effizienz des Flügels führt zu einer Verringerung der Frequenzen der aeroelastischen Moden. Dies führt zu einer Kopplung zwischen der aeroelastischen und der Flugdynamik des Flugzeugs. Infolgedessen werden die Leistungseigenschaften, die Flugdynamik und die Flugeigenschaften des Flugzeugs im Vergleich zur Starrkörpernäherung völlig verändern.

Die Modellierung der Dynamik von flexiblen Flugzeugen hängt vom Grad ihrer Flexibilität ab. Für leicht flexible Flugzeuge (Verformung der Flügelspitze bis zu 10 % der Flügelhalbspannweite) werden Formulierungen verwendet, die auf einem linearen Strukturverhalten beruhen, z. B. auf einer Mittelachsennäherung, und sie können mit verschiedenen aerodynamischen Modellen gekoppelt werden. Wenn die Verformungen über 10 % liegen, erreicht das Flugzeug eine neue Flexibilitätsstufe und wird als VFA eingestuft. Diese Flugzeuge erfordern den Einsatz von nichtlinearer Strukturdynamik und nichtlinearer Aerodynamik. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe von dehnungsbasierten und geometrisch nichtlinearen Balkenformulierungen. Alle diese aeroelastischen Formulierungen haben etwas gemeinsam. Der Mangel an verfügbaren Daten für die Validierung. Um eine angemessene Modellvalidierung durchzuführen, sind zuverlässige aeroelastische Daten erforderlich. Bis heute fehlt es an fliegenden Plattformen, die Airlinern oder Jet-Transportflugzeugen mit flexiblen oder sehr flexiblen Flügeln ähneln und eine Kopplung von Flugdynamik und Strukturmoden im Flug aufweisen.

Im Rahmen dieses Projekts soll ein Flugzeugprototyp entwickelt werden, der die Kopplung zwischen Starrkörper- und Strukturdynamik während des Flugs darstellen kann. Dieser Teststand wird es ermöglichen, die Auswirkungen einer zunehmenden Flexibilität auf das letztendliche Ziel der Entwicklung umweltfreundlicherer Flugzeuge besser zu verstehen. Das konzeptionelle Fahrzeug wurde TU-FLEX genannt.

Der konzeptionelle Entwurf des TU-FLEX sieht bereits eine maximale Flügelspitzenverschiebung als Randbedingung für den Optimierungsprozess vor. Zunächst wird es zwei Versionen des TU-FLEX geben, jede mit einem anderen Satz von Flügeln. Die FA-Version des Fahrzeugs, bei der die Verformung der Struktur während der Flugmanöver innerhalb der linearen Flexibilitätsgrenze von 10 % bleiben soll. Die VFA-Version des Fahrzeugs wird so konzipiert, dass sie ein geometrisch nichtlineares Verhalten zeigt. Das Flugzeug sollte regelmäßig oberhalb der 10%-Grenze operieren und eine maximale Verformung von 20% in Bezug auf die Spannweite ist erlaubt. Das TU-FLEX-Mehrflügelkonzept ist in Abb. 1 dargestellt. In dieser Abbildung ist es möglich, den Starrkörperflügel mit dem flexiblen und dem sehr flexiblen Flügel zu vergleichen.

TU-FLEX wird als flexibler Prüfstand mit einer Konfiguration definiert, die es erlaubt, Schlussfolgerungen zu ziehen, die sowohl für Verkehrsflugzeuge als auch für kommerzielle Flugzeuge gelten. Der Entwurf und die Konstruktion dieser Plattform würden es ermöglichen:

• die Durchführung von Flugexperimenten zur Erfassung der gekoppelten Bewegung zwischen Flug und aeroelastischer Dynamik als Reaktion auf Steuereingaben;
• als Prüfstand für Bodenexperimente zu dienen, um neue Verfahren zur Charakterisierung der elastischen und aeroelastischen Eigenschaften von FA/VFA durch statische, Bodenschwingungs- und Windkanaltests zu definieren;
• Implementierung von strukturellen Regulatoren oder strukturellen Reglern, die FA/VFA einen sicheren Flug ermöglichen;
• Durchführung verschiedener Regelarchitekturen zur Stabilisierung und Navigation von FA/VFA;
• Evaluierung einer Vielzahl von Sensoren und unterschiedlicher Sensorenkonfigurationen, um die Form von FA/VFA zu rekonstruieren;
• Evaluierung verschiedener Steuerflächenarchitekturen zur besseren Regulierung und Steuerung von FA/VFA;
• Implementierung neuartiger Systemidentifikationstechniken zur Erfassung der aeroelastischen Dynamik von FA/VFA.