Vorentwurf und Bewertung

Einführung

Diese Ansicht eines Sonic Cruisers zeigt einige Details des Analysemodells.

Optimierung eines Überschall-Verkehrsflugzeugs mit Hilfen des Navier-Stokes Verfahrens FLOWer und eines Finite-Elemente-Modells für die Struktur.

Nurflügelflugzeug mit Triebwerksanordnung oberhalb der Zentralkörpers.

Nurflügelflugzeug mit konventioneller Triebwerksanordnung.

Dieses Langstreckentransportflugzeug erreicht die Größengrenze der klassischen Flugzeugkonfiguration.

Die entsprechende Nurflügelvariante erreicht nahezu die doppelte Reichweite bei gleicher Nutzlast.

Flugzeug Heckanordnung eines Zentralfans mit sehr hohem Nebenstromverhältnis.

Umweltfreundliches Schulterdeckerflugzeug mit hoch angesetzten Triebwerken, deren Fanlärm durch einen Flügel mit einem schlitzlosen Hochauftriebssystem abgeschirmt wird.

Der Schwerpunkt der Gruppe Vorentwurf und Bewertung liegt auf der Bewertung neuer Technologien am Gesamtflugzeug. Viele Techniken versprechen Vorteile in einer Einzeldisziplin, haben aber Nachteile in anderen Bereichen. Beispielsweise kann mit einem System zur künstlichen Laminarhaltung der aerodynamische Widerstand verringert werden, andererseits sind zusätzliche Systeme erforderlich, die Kosten verursachen und das Systemgewicht erhöhen. Es ist also erforderlich, die wichtigsten Effekte in allen Disziplinen am Gesamtflugzeug zu beurteilen, um die Entwicklung neuer Technologien in Richtung der besten Gesamtlösung zu treiben.

Die drei Hauptarbeitsgebiete sind:

• Entwurf und Analyse von Konfigurationen,
• Bewertung von Technologien,
• Verbesserung von Werkzeugen und des multidisziplinären Entwurfsprozesses.

Entwurf, Analyse und Bewertung von Technologien am Gesamtflugzeug

Hochgeschwindigkeits-Flugzeug

In der Vergangenheit wurde das Verfahren PrADO für die Anwendbarkeit auf Überschall-Transportflugzeuge erweitert [1]. Hierzu wurde ein Überschall-Panelverfahren (HISSS) in das Verfahren integriert. Neuere Aktivitäten beschäftigten sich mit dem Entwurf von Hochauftriebssystemen für Überschall-Verkehrsflugzeuge (EPISTLE) und aktuelle Arbeiten richten sich auf die multidisziplinäre Optimierung mit hochwertigen Verfahren (CISAP Projekt im Rahmen der EREA Gruppe). Im Schallnahen Bereich wurde eine Machbarkeitsstudie für ein "Sonic Cruiser" Konzept durchgeführt [2].

Nurflügel Transportflugzeuge

Ein weiterer Schwerpunkt liegt im Bereich von Nurflügelflugzeugen. Hier wurden Untersuchungen sowohl zu Passagierflugzeugen als auch zu militärischen Transportflugzeugen durchgeführt [3]. Zur Zeit konzentrieren sich die Arbeiten auf die aerodynamische Optimierung unter Berücksichtigung von Fragen der optimalen Trimmung und

Steuerbarkeit. Systeme von spannweitig verteilte Klappen werden im Reiseflug, bei Start- und Landung sowie in Bodennähe untersucht und optimiert. Im Rahmen des europäischen Forschungsprogramms VELA werden umfangreiche numerische Optimierungsarbeiten für den Reiseflug ausgeführt. Gleichzeitig erfolgen auf experimenteller Seite in Kooperation mit der ONERA Untersuchungen im Niedergeschwindigkeitsbereich. Hier werden die Einflüsse von Windkanalsupportsystemen (Windkanal ONERA-S5) sowie dynamische Derivative (DNW-NWB) für zwei unterschiedliche Nurflügelkonfigurationen ermittelt.

Dreiflächenflugzeug

Flugzeuge mit einem zusätzlichen Kopfflügel versprechen eine Verringerung des Trimmwiderstands sowie eine verbesserte Steuerbarkeit in bestimmten Flugmanövern. Die Ergebnisse des DLR-Projekts 3FF zeigten, dass das Potential ausgenutzt werden kann, wenn die Längsstabilität reduziert und die aerodynamische Belastung des Kopfflügels begrenzt wird.
Im Rahmen dieses Projekts wurden die Disziplinen Aerodynamik, Struktur (in Kooperation mit der Technischen Universität Braunschweig) und Aeroelastik sowie Flugmechanik miteinander verknüpft. Im Bereich Vorentwurf und Bewertung wurde die Integration und Bewertung der Ergebnisse vorgenommen [4]. Die numerischen Ergebnisse aus Aerodynamik und Flugmechanik wurden durch experimentelle Untersuchungen an einem Halbmodell im kryogenen Windkanal KKK abgesichert.

Adaptiver Tragflügel

Adaptive Strukturen ermöglichen es, die Form eines Körpers an die aktuelle Betriebssituation anzupassen. Es ist zum Beispiel möglich, einen Flügel im Langsamflug kontinuierlich zu wölben oder eine örtliche Form der Flügeloberfläche zu erzeugen mit der man Stoßlage und Stoßstärke im transonischen Reiseflug kontrollieren kann. Um das Potential dieser Technologie zu beurteilen, wurde ein Flugzeug mit adaptiver Stoßkontrolle mit einem konventionellen Referenzflugzeug verglichen. Dazu wurden die aerodynamischen Effekte einer Konturbeule in zweidimensionalen Windkanalversuchen bestimmt und die Ergebnisse in das PrADO-Verfahren (siehe unten) eingespeist. Die Ergebnisse zeigten, dass Vorteile hinsichtlich der direkten Betriebskosten erreichbar sind.

Umweltfreundliche Flugzeuge

Zukünftige Arbeiten richten sich besonders an umweltfreundlichen Flugzeugkonfigurationen aus. Hier ist die Aero-Akustik ein sehr starker Treiber der Entwürfe [5]. Nicht nur das Antriebssystem und seine Integration, sondern auf die Anordnung der Flügel und die Auslegung des Hochauftriebssystems beeinflussen den Geräuschpegel. Außerdem sollen die Fahrwerke und ihre Integration verbessert werden um den Lärm im Anflug zu reduzieren.

Werkzeuge

Für Vorentwurf und Bewertung stehen eine Reihe von Werkzeugen unterschiedlicher Komplexität zur Verfügung. Je nach Problemstellung wird das am besten geeignete Werkzeug gewählt.

Die Werkzeugpalette umfasst multidisziplinäre Werkzeuge wie des Vorentwurfsverfahren PrADO (in Kooperation mit der Technischen Universität Braunschweig) oder kommerzielle Optimierungsrahmen (z.B. Pointer/Pro), wie auch monodisziplinäre Werkzeuge. Hier werden aerodynamische Entwurfs- und Analyseverfahren verwendet die von Potentialverfahren (z.B. genaue Wirbelleiterverfahren höherer Ordnung oder die Panelverfahren VSAero und HISSS) bis zu komplexen Lösungsverfahren für die Euler-Gleichungen (die DLR Programme Tau für unstrukturierte und FLOWer für strukturierte netze). Zusätzlich können die letztgenannten Verfahren auch die Navier-Stokes Gleichungen lösen und stehen damit für Optimierungsaufgaben höchster Güte in Koppelung mit gleichwertigen Verfahren anderer Disziplinen zur Verfügung.

Anfangs wird ein Grundentwurf mit dem schnellen PrADO Verfahren entwickelt. Anschließend kommen Optimierungswerkzeuge wie Pointer/Pro oder Epogy zum Einsatz, oft in Verbindung mit den Euler oder Navier-Stokes Verfahren Tau oder FLOWer und Finite-Element-Verfahren (z.B. NASTRAN) um optimale Lösungen für höchste Ansprüche zu finden.

Schließlich werden in Vorentwurf und Bewertung Datenbeschreibungen konzipiert und Software entwickelt, um Werkzeuge zu verketten. Diese Arbeiten bauen auf einer generischen parametrischen Flugzeugbeschreibung auf, die auf die Bedürfnisse des Vorentwurfs abgestimmt ist. Aufgrund dieser Beschreibung lassen sich CAD- oder Strukturmodelle automatisch erstellen, die dann in den Fachdisziplinen verwendet und verfeinert werden können. Der Entwickler kann damit das jeweils am besten geeignete Werkzeug wählen ohne sich über die Konvertierung der Daten Gedanken machen zu müssen. Ziel hierbei ist es, eine möglicht vollständige Werkzeugkette aufzubauen, die auf einer strukturierten parametrischen Datenbeschreibung basiert. Alle Disziplinen verwenden diese einheitliche Beschreibung, erweitert um Disziplin-spezifische Datenstrukturen.

Projekte

Vergangenheit

1996-2000 Adaptive Flügeltechnologie (ADIF)
1997-2001 Dreiflächenflugzeug (3FF)
2001 Analyse eines Sonic Cruiser Koncepts

Aktuell

2003-2004 Überschallverkehrsflugzeug (CISAP)
2002-2005 Nurflügeltransportflugzeug (Das VELA-Projekt)
2003-2006 Nurflügeltransportflugzeug (LUFO III)
2003-2005 Kooperation zum Nurflügeltransportflugzeug mit der ONERA
2003-2006 Umweltfreundliches Flugzeug (LUFO III)

Veröffentlichungen

[1] D. Strohmeyer, R.Seubert: «Improvement of a Preliminary Design and Optimization Program for the Evaluation of Future Aircraft Projects», AIAA-98-4828, 7th AIAA AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, St. Louis, Sept. 15-18, 1998 (Download PDF).

[2] M. Hepperle: «The Sonic Cruiser - A Concept Analysis», International Symposium `Aviation Technologies of the XXIth Century: New Aircraft Concepts and Flight Simulation´, 7.-8. May 2002, International Aerospace Exhibition (ILA), Berlin (Download PDF).

[3] M. Hepperle, W. Heinze: «Future Global Range Transport Aircraft», RTO Symposium on `Novel Vehicle Concepts and Emerging Technologies´, Bruxelles, 7-10 April 2003 (Download PDF).

[4] D. Strohmeyer, R. Seubert, W. Heinze, C. Österheld, L. Fornasier: «Three Surface Aircraft - A Concept for Future Transport Aircraft», AIAA-00-0566, 38th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibition, Reno, 10-13 January 2000.

[5] M. Hepperle: «Environmental Friendly Transport Aircraft», STAB Symposium, 2002, Munich, to be published in `Notes on Numerical Fluid Mechanics´, 2003 (Download PDF).