Projekthintergrund

Projekt SikMa

Das Verhalten von Flugzeugen bei transsonischer Zuströmung ist charakterisiert durch ein nichtlineares Strömungsfeld, welches verursacht wird aufgrund von Stößen, Grenzschichteffekten wie Strömungsablösung und deren Interaktionen mit der Hauptströmung. Die meisten heutigen und vermutlich auch zukünftigen Kampfflugzeuge sind Deltaflügelkonfigurationen, deren aerodynamisches Verhalten bereits bei kleinen Anstellwinkeln durch die Ablösung der Strömung an Flügeln und Rumpf und die Entstehung von Wirbeln geprägt ist. Schon kleine Änderungen im Strömungsfeld können zu erheblichen Änderungen in der Lastverteilung über dem Flügel führen. Gründe für diese Änderungen sind z.B. Böenwinde, Turbulenzen in der Zuströmung, sowie Wirbelaufplatzen im hohen Anstellwinkelbereich. Diese im höchsten Maße instationären Effekte können zu kritischen Flugzuständen im Manöverflug führen. Um eine sichere und stabile Fluglage zu garantieren, muss ein Flugregler jeder Zeit in der Lage sein das Flugzeug zu trimmen und zu stabilisieren. Die Reaktion des Flugreglers und damit der Steuerelemente kann zu starken Bewegungen des Flugzeugs führen und zu weiteren instationären Änderungen im Strömungsfeld, sowie zu starken strukturellen Deformationen. Die Rückführung des Flugzeugs führt über die Steuerelemente, Triebwerkseinstellungen und die damit verbundenen Interaktionen mit der instationären Aerodynamik. Zusammen mit den Änderungen der äußeren Flugzeugkontur aufgrund von Deformationen der Flugzeugstruktur stellt das Flugzeug im Manöverflug ein höchst nichtlineares gekoppeltes System dar.

Dieses erklärt, warum eine gute Abstimmung der Flugzeugkonfiguration mit dem Strukturkonzept und der Flugreglerauslegung über den Erfolg oder Misserfolg eines Flugzeugs entscheidet. Während die Bewegung eines großen Flugzeugs mit großer Masse und entsprechenden Trägheitskräften bestimmt wird durch kleine reduzierte Frequenzen, muss das Reglersystem der Steuerflächen für hochfrequente Effekte wie Buffeting und/oder Flattern ausgelegt sein. Für Flugzeuge geringer Masse bzw. Trägheit z. B. Kampfflugzeuge ist diese Problematik noch viel bedeutender. Aeroelastische Effekte bei flexiblen und/oder dynamisch instabilen Flugzeugen können diese instabilen Effekte noch erhöhen. Um eine umfassende Simulation bzw. Vorhersage dieser Effekte realisieren zu können, müssen High-End-Codes aller Disziplinen zur Verfügung stehen und gekoppelt werden.

Hierfür wird eine interdisziplinäre numerische Modellbeschreibung des Flugzeugs innerhalb einer entsprechenden Simulationsumgebung benötigt um eine realistische Nachbildung aller Effekte während eines Manövers simulieren zu können und so schon Risiken in der Entwurfsphase zu reduzieren. Dieses Simulationswerkzeug soll dazu dienen kritische Zustände des Systems während eines Manövers zu testen, Problembereiche zu identifizieren und Abhängigkeiten im System zu verstehen.

Das Projekt SikMa soll durch die Zusammenführung und Kopplung der Disziplinen Aerodynamik, Aeroelastik und Flugmechanik einen Beitrag dazu leisten ein Ingenieurswerkzeug zu entwickeln, welches in der Lage ist das Manöver eines Kampfflugzeugs zu simulieren. Grundlage hierfür sind die Zusammenführung der Ergebnisse und Erfahrungen aus den DLR-Projekten AeroSUM und AMANDA , der Entwicklung des DLR Tau-Codes im Projekt MegaFLOW und die enge Kooperation mit der Industrie (EADS-M).

Im Projekt AeroSUM wurde bereits ein Tool entwickelt, mit dem es möglich ist, eine einfache Deltaflügelkonfiguration mit beweglichen Hinterkantenklappen mit Hilfe der Kopplung eines CFD-Verfahrens mit einem rechnergestützten flugmechanischen Verfahren zu simulieren. Aufgabe eines Nachfolgeprojektes soll es nun sein, die Simulationsumgebung zu erweitern. Diese Erweiterung bezieht sich auf die Ausdehnung der zu validierenden Manöverszenarien, auf die Komplexität der Anwendungen und auf die Erweiterung der Module. Lag im Projekt AeroSUM der Schwerpunkt mehr auf der Machbarkeit solch einer Manöversimulation, so soll in dem neuen Projekt SikMa die Effizienz gesteigert, die Anwendbarkeit auf komplexere Manöver und Konfigurationen nachgewiesen und eine Erweiterung durch die strukturmechanische Simulation realisiert werden.

Die Aufgaben, die im Projekt SikMa gestellt werden, haben disziplinübergreifende Bedeutung. Im Bereich der Konfigurationen mit großer Streckung, sowohl auf dem militärischen und insbesondere auf dem zivilen Sektor wird ein Zusammenführen bzw. eine zeitgleiche Kopplung der drei Komponenten Aerodynamik, Flugmechanik und Aeroelastik immer wichtiger. Bei der Simulation von Kampfflugzeugen, d.h. Deltaflügelkonfigurationen mit geringer Streckung, ist die Annahme eines starren Fluggerätes bei Manövern im Bereich hoher Lastvielfacher nicht mehr genau genug. Diese Konfigurationen sind sehr leicht gebaut. Zum einen ist der Flügel aufgrund der hohen Geschwindigkeitsbereiche sehr dünn, was dazu führt, dass die Konstruktion sehr weich ist. Zum anderen wird am Strukturgewicht gespart, um bei konstantem Schub/Gewicht-Verhältnis möglichst viel Zuladung zu realisieren. Die dadurch auftretende Durchbiegung der Flügel in Spannweitenrichtung hat einen erheblichen Einfluss auf die Druckverteilung auf der Flügeloberseite und somit auf die Lastverteilung am Flügel. Bei Flugzeugen großer Streckung spielen die Dimensionen, die mittlerweile im Flugzeugbau erreicht werden, eine entscheidende Rolle. Das Verhältnis von Rumpfdurchmesser zu Rumpflänge sowie von Profildicke zu Halbspannweite ist mittlerweile so groß, dass auch bei geringen Belastungen nicht mehr von einem starren Flügel bzw. Gesamtkonfiguration gesprochen werden kann. Die Flugzeuge werden weich ausgelegt. Die Entwicklung eines Tools, mit dem es möglich ist, die Simulation eines strukturmechanisch flexiblen Fluggerätes zu realisieren, trifft aus diesem Grund auf große Resonanz. Das Projekt SikMa hat somit einen "Spin-Off-Effekt" auch auf andere Disziplinen und Anwendungen. Weiterhin soll das Projekt SikMa einen wesentlichen Beitrag zum Kerngebiet "virtuelles Flugzeug" im DLR leisten.


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