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Erfolgreiche Flugversuche zur Entwicklung eines Wirbelschleppenwarnsystems und zur Bestimmung von aerodynamischen Eigenschaften im Flug

24. April 2013

Bild1: Das Flugversuchsteam

Mit den beiden DLR Forschungsflugzeugen Airbus A320 D-ATRA und Dassault Falcon D-CMET wurde im März und Aprilerfolgreich ein Flugversuchsprogramm zu den DLR-Vorhaben WOLV und OPIAM durchgeführt. Schwerpunkt der Versuchskampagne waren erste Tests eines Systems zur Warnung vor Wirbelschleppeneinflügen (WEAA - Wake Encounter Avoidance and Advisory System), welches im Vorhaben WOLV (Wetteroptimierter Luftverkehr) federführend vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik entwickelt wurde. In der Versuchskampagne flog das Forschungsflugzeug Falcon als „Wirbelerzeuger“ vor dem A320-ATRA her. Dort wurde mit Hilfe eines Modells vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und den von der Falcon übertragenen Telemetriedaten (simulierter ADS-B-Datenlink) eine Wirbelschleppenprognose generiert.

Um das System zu testen, wurde mit dem ATRA gezielt unter verschiedenen Einflugwinkeln in die Wirbelschleppe der Falcon geflogen. Da Wirbelschleppen für die Piloten im Allgemeinen nur sichtbar sind, wenn sich hinter dem Erzeugerflugzeug Kondensstreifen bilden, wurden die Versuche in Gebieten durchgeführt, in denen entsprechende atmosphärische Bedingungen herrschten. Bei einem Einflug mit ATRA in die Wirbelschleppe der Falcon wurde auf dem Cockpitdisplay deren vorausberechnete Position genau angezeigt (Bild 2). Die Funktion des Prognosesystems konnte so im Flugversuch erfolgreich bestätigt werden.




Bild2: Navigations-Display – die roten Punkte zeigen die Position der gerade durchgeflogenen Wirbelschleppe an

Das Vorhaben OPIAM (Online Parameter Identification for Integrated Aerodynamic Modelling) beschäftigt sich mit neuen Verfahren, die eine Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften eines Flugzeugs schon während des Fluges erlauben. Untersuchungsgegenstand war in diesem Fall das Forschungsflugzeug A320-ATRA selbst, mit dem für den Test erstmals Manöver zur Systemidentifizierung durchgeführt wurden. Die während des Versuchs gemessenen Daten werden genutzt, um die aerodynamischen Parameter zu bestimmen und von dem Flugzeug ein genaues flugmechanisches Modell zur erstellen. Dies ist z.B. bei der Erprobung neuer Flugzeuge sehr wichtig. Anhand solcher Modelle wird überprüft, ob die vor dem Erstflug berechneten aerodynamischen Eigenschaften auch wirklich von dem gebauten Flugzeug erfüllt werden. Das aus Flugversuchsdaten gewonnene Modell wird auch für Flugsimulatoren und die Auslegung von Flugreglern benötigt. Die Analyse der Flugversuchsdaten mit Parameteridentifikationsverfahren wird üblicherweise erst nach dem Flug am Boden durchgeführt. Am DLR-Institut für Flugsystemtechnik wurden Identifizierungsverfahren entwickelt, die eine Bestimmung aerodynamischer Parameter an Bord schon während des Fluges erlauben. Die sichere Erprobung des Flugzeugs kann damit überwacht werden und der Versuch kann optimiert oder ggf. abgebrochen werden. Auf dem A320-ATRA wurden diese sogenannten „Online-Parameteridentifizierungsverfahren“ erprobt. Die Forscher konnten dabei an Bord erstmals während der Durchführung der Flugmanöver die Identifizierung der aerodynamischen Parameter mitverfolgen.




Bild 3: Kondensstreifen der FALCON aus dem ATRA-Cockpit

Ein herzlicher Dank gilt allen Personen und Institutionen, die zu einem erfolgreichen Abschluss dieser Flugversuchskampagne beigetragen haben - insbesondere DLR-Flugexperiment, DLR-Entwicklungsbetrieb, DLR-Institut für Physik der Atmosphäre, DLR-Institut für Flugführung, DFS – Deutsche Flugsicherung GmbH, Lufthansa Technik AG und Leichtwerk AG, und nicht zuletzt danken die Experimentatoren innerhalb des eigenen Instituts der Abteilung Flugversuchstechnik und IT.










ATRA Modifikationen

Bild 4: Receiver Station im ATRA, gefertigt vom Institut für Flugsystemtechnik
Um die Positionsdaten des „Wirbelerzeugers“ Falcon mit einer Telemetriestrecke zum ATRA übertragen zu können, wurde eine Receiver-Station, bestehend aus einem UHF-Transceiver und einem ADS-B Receiver, in den ATRA integriert (Bild 4).
Für die Experimente wurde in einen existierenden Operatorschrank mit Rechnern und Displays der für die WEAA-Aufgaben konfigurierte Rechner integriert (Bild 5).
Für die OPIAM-Versuche kamen zwei Notebooks zum Einsatz (Bild 6). Zusammen mit dem WEAA-Rechner erhielten sie die Flugzustandsdaten von der Basis-Messanlage.
Für die Einrüstung dieser Komponenten in den ATRA war es erforderlich, Bau- und Nachweisunterlagen zu erstellen und zu prüfen, um die Lufttüchtigkeit nachzuweisen und damit die Flugfreigabe von EASA/LBA zu erhalten. Diese Arbeiten wurden von einem Team aus den Abteilungen Flugversuchstechnik und IT sowie Flugdynamik und Simulation des Instituts für Flugsystemtechnik und der Einrichtung Flugexperimente (insbesondere dort vom Entwicklungsbetrieb) erbracht.
Die Basis-Messanlage im ATRA wurde für die Versuche von der Abteilung Flugversuchstechnik und IT, die für diese Anlage verantwortlich sind, konfiguriert und betrieben.

Bild 5: Rechner im Operatorschrank (rechts vorne); im Hintergrund links die Basis-Messanlage

Bild 6: Notebooks für OPIAM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Falcon Modifikationen

Eine Instrumentierung der Falcon war erforderlich, um deren Positionsdaten zum ATRA zu übertragen. Zur Instrumentierung gehörten eine UHF-Antenne (Bild 7), ein UHF-Transceiver und ein SBAS DGPS-Empfänger (Bild 8).
Aufgrund der Installation einer zusätzlichen UHF- Antenne war vor Beginn der wissenschaftlichen Versuche eine zusätzliche Flugerprobung mit Sensorinstrumentierung erforderlich. In Absprache mit der Musterprüfleitstelle und dem Luftfahrtbundesamt wurde im Rahmen dieser Flugerprobung nachgewiesen, dass der Antennenanbau in Bezug auf Vibrationen keine negativen Einflüsse auf die Lufttüchtigkeit hat.
Neben der Koordination der gesamten Nachweisführung wurden vom Institut für Flugsystemtechnik die Bauunterlagen sowie die Fertigung von Montagevorrichtungen und Kabeln für die Kabineneinbauten durchgeführt. Die Installation der Antenne und die damit verbundenen Arbeiten wurden von der Einrichtung Flugexperimente in Oberpfaffenhofen betreut. Die Institute für Aeroelastik und für Aerodynamik und Strömungstechnik waren in die Nachweisführung eingebunden.


Bild 7: UHF-Antenne am unteren Viewportdeckel (Quelle: Flugexperimente Oberpfaffenhofen)
Bild 8: Messgeräteträger mit UHF-Transceiver und SBAS-Empfänger, gefertigt von Institut für Flugsystemtechnik




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