Flugmechanik, -regelung und Aeroelastizität

FlexFuture

Flug- und Lastregelung sehr flexibler Flugzeuge für den multidisziplinären Flugzeugentwurf für zukünftige klimaneutrale Flugzeuge (FlexFuture)

Die Europäische Union hat sich das Ziel gesetzt, den Luftverkehr bis 2050 klimaneutral zu stellen. Der geplante Einsatz von hybrid-elektrischen Flugzeugen ist ein erster Schritt auf dem Gebiet des Antriebs in Richtung dieses Ziels, aber auch bei der Konstruktion von flexiblen und sehr flexiblen Flugzeugen muss ein Umdenken stattfinden.

Hochflexible Flugzeuge mit hoher Streckung und leichter Struktur erhöhen die aerodynamische Effizienz und verringern das Gewicht, was sich in einem geringeren Treibstoffverbrauch und damit in niedrigeren Kohlenstoffemissionen niederschlägt. Die Industrie hat sich mit Flugzeugen wie dem Airbus A350 und der Boeing 787 bereits in diese Richtung bewegt, aber das Einsparpotenzial ist noch nicht ausgeschöpft. Bisherige Hindernisse, wie das nichtlineare Strukturverhalten und die Kopplung von inhärenten elastischen Bewegungsmoden mit der Flugdynamik, müssen durch umfangreiche Forschung überwunden werden. An dieser Stelle setzt das geplante Forschungsprojekt an.

Die Modellierung der Dynamik eines flexiblen Flugzeugs hängt vom Grad seiner Flexibilität ab. Für flexible Flugzeuge mit Verformungen an der Flügelspitze von bis zu 10 % der halben Spannweite werden Methoden verwendet, die auf einer linearen Strukturformulierung basieren. Wenn die Verformungen 10 % überschreiten, erreicht das Flugzeug eine neue Stufe der Flexibilität und wird als sehr flexibles Flugzeug eingestuft. Diese Flugzeuge erfordern den Einsatz von nichtlinearer Strukturdynamik und nichtlinearer Aerodynamik. Obwohl die Theorie dieser Methoden der zivilen Luftfahrtindustrie teilweise zur Verfügung steht, wurden sie noch nicht validiert, und sie sind auch noch nicht vollständig in Bezug auf die Gesamtheit der Flugzeugteilsysteme entwickelt worden.

Insbesondere die Flugregelungssysteme (FCS), die für einen Großteil der Flugregelung in heutigen Verkehrsflugzeugen verantwortlich sind, werden stark von der Flexibilität beeinflusst. Traditionell basiert die Entwicklung von Autopiloten auf der Annäherung an die Flugdynamik von Flugzeugen mit starren Körpern. Um gefährliche Wechselwirkungen zwischen FCS und Strukturdynamik zu vermeiden, setzt die Industrie Notch-Filter ein. Diese reduzieren jedoch die erreichbare Regelgüte und damit auch die sichere Regelorientierung des Flugzeugs, insbesondere bei starker Kopplung zwischen Flug- und Strukturdynamik.

Um die Sicherheit zukünftiger Flugzeuge (die ein höheres Maß an Flexibilität aufweisen werden) zu gewährleisten, werden neue und vor allem validierte Methoden benötigt. Ziel dieses Projekts ist es, einen multidisziplinären Flugzeugentwurfsprozess zu entwickeln, bei dem die aeroelastische Regelung und die strukturelle Lastregelung direkt in der Entwurfsphase berücksichtigt werden, um die derzeitigen Beschränkungen zu überwinden und zu einem neutralen Flug beizutragen.

In diesem gemeinsamen Projekt arbeiten das Fachgebiet Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastik der Technischen Universität Berlin (mit seiner Expertise auf dem Gebiet der hochflexiblen Flugzeugdynamik und -regelung) und das Institut für Flugsystemtechnik der Technischen Universität Hamburg (mit seiner Expertise auf dem Gebiet der Lastregelung) zusammen, um die fehlenden Werkzeuge für den multidisziplinären Flugzeugentwurfsprozess bereitzustellen, einschließlich der Entwicklung und Validierung durch Flugversuche.

Die fliegenden Plattformen Super Dimona der TU Hamburg und die TU-Flex-Plattform der TU Berlin (die derzeit gemeinsam von der TU Berlin und dem DLR entwickelt wird) werden zur Validierung der im Rahmen des Projekts entwickelten Modelle und Steuerungen eingesetzt. Die TU Hamburg wird mit Dimona einen Beitrag zum Design zukünftiger Tragflächen leisten, deren Belastungen durch regelungstechnische Ansätze gezielt gemildert werden können. Dies wird eine deutliche Gewichtsreduzierung und eine weitere Erhöhung der Streckung ermöglichen. Der TU-FLEX wurde als flexibler Prüfstand mit einer Konfiguration konzipiert, die Rückschlüsse sowohl auf Transport- als auch auf Verkehrsflugzeuge zulässt. Das Flugzeug wurde mit austauschbaren Flügeln konzipiert. Dadurch kann die Flexibilität der Plattform erhöht werden, wie in Abb. 1 dargestellt. Das Flugzeug verfügt über einen integrierten Flugregler, der sowohl die nichtlinearen Effekte der Strukturdynamik als auch der Flugdynamik berücksichtigt. Diese Plattform ermöglicht die Validierung von Modellformulierungen und Steuerungsimplementierungen in Flugversuchen. Im Ergebnis werden die validierten Methoden der Industrie zur Verfügung stehen, um aerodynamisch effizientere, leichtere und damit klimaneutralere Flugzeuge zu entwickeln.

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Raum F 336