Flugphysikalische Modellierung und Simulation von Flächenflugzeugen

Moderne Flugzeuge weisen durch geänderte Bauweisen und Materialien eine zunehmende aeroelastische Flexibilität auf, so dass die traditionell übliche Modellierung von Flugzeugmodellen für flugmechanische Analysen und Simulation als Starrkörpermodell mit sechs Freiheitsgraden hier nicht mehr ausreichend ist. Am Institut für Flugsystemtechnik werden deshalb gezielt Flugzeugmodelle zur Abbildung aeroelastischer Flexibilität entwickelt und untersucht.

In diesem Forschungsbereich liegt der Schwerpunkt vor allem auf echtzeitfähigen flexiblen Flugzeugmodellen, die Analysen der Flugdynamik und die Auslegung von Flugreglern mit geringem Rechenaufwand erlauben sowie Pilot-in-the-loop-Untersuchungen im Simulator ermöglichen. Zur Erstellung der Flugzeugmodelle werden neue Ansätze der Systemidentifizierung aus Flugversuchsdaten entwickelt sowie Ergebnisse aus Strukturdynamiksimulationen (z.B. mit Finite-Elemente-Methoden) und semi-empirischen Modellierungsansätzen in die flugdynamische Gesamtsimulationen integriert.

Modellierung und Simulation von unkonventionellen Flugzeugen

Elektrische Antriebe, Miniaturisierung von Komponenten und digitale Flugregler führen zu mehr Freiheit im Flugzeugdesign. Das ermöglicht unkonventionelle Konfigurationen mit verteilten schwenkbaren Antrieben, kippbaren Flügeln und einer Vielzahl von Steuerflächen. Primäre Ziele dabei sind die Kombination von senkrechter Start- und Landefähigkeit mit effizientem Reiseflug, verbesserte Auftriebsverteilungen oder dynamischere Flugmanöver. Die bei der Modellierung solcher Fluggeräte zu berücksichtigenden charakteristischen Effekte sind vor allem aerodynamischer Natur, beispielsweise Propeller-Flügel-Interaktion, die Umlenkung des Propeller-Nachlaufs durch Steuerflächen und der Flug unter hohen Anstellwinkeln bis in den Strömungsabriss. Neben Datenmodellen aus Windkanalversuchen und Strömungssimulationen bieten sich insbesondere semi-empirische Methoden an. Einerseits kann das Modell schnell für andere Konfigurationen oder Geometrieänderungen angepasst werden. Andererseits bietet der Ansatz wertvolles flugmechanisches Verständnis, was beispielsweise hilfreich für den Einsatz modellbasierter Regelungsmethoden oder die Trajektorienoptimierung ist.

Modellierung und Simulation von Kampfflugzeugen

Die steigende Komplexität moderner Kampfflugzeuge erfordert auch detailgetreue flugmechanische Modelle über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Dabei beinhalten diese Modelle nicht nur das reine Starrkörperverhalten des Fluggerätes, sondern auch viele weitere Elemente und Effekte. Hierzu zählen beispielsweise komplexe Luftdatensysteme, detaillierte Aktuatormodelle aber auch die Modellierung ergänzender Effekte wie Treibstoffschwappen (Sloshing). Die dadurch entstehende Vielzahl an Kampfflugzeugmodellen verschiedener Konfigurationen definiert das Umfeld für die Forschung in den Bereichen der Flugzeugsysteme und Flugregelung sowie deren Analyse in Simulationsumgebungen. Im Institut sind mehrere Simulatoren mit spezifischen Eigenschaften wie bewegten Plattformen, unterschiedlichen Cockpitgestaltungen, Augmented Reality und Sichtsystemen vorhanden. Durch die Einbindung erfahrener Pilotinnen und Piloten sowie Testpilotinnen und
-piloten in Simulatortests, erweitern sich die Anwendungsmöglichkeiten auf die Bereiche Cockpitgestaltung und Handling Qualities-Analysen.