Strukturdesign eines Querruders für schlanke Flügel mit aktiver Flatterunterdrückung
Das Projekt WISDOM (Wing Integrated Systems Demonstration On Mechatronics Rig) entwickelt und testet sicherheitskritische Flugsteuerungssysteme sowie Hardware für Flugzeuge mit besonders schlanken Flügeln. Dabei zeigt das Institut für Systemleichtbau zusammen mit weiteren Instituten und Partnern aus Wirtschaft und Forschung, dass es möglich ist, Flattern aktiv mithilfe der Querruder zu unterdrücken. Dieses Phänomen, bei der die Luftströmung die Flügelstruktur zu Schwingungen anregt, ist bei schlanken Flügeln besonders ausgeprägt und verhindert deren praktische Anwendung in Verkehrsflugzeugen. Das Institut für Systemleichtbau entwickelt deshalb Querruder, welche den Anforderungen der schlanken Flügel und der Flatterunterdrückung gerecht werden.
Welche Ziele verfolgen wir?
Im Projekt WISDOM testen die Partner die Flugsteuerungssysteme zusammen mit der notwendigen Hardware in einem Bodenteststand. Dabei steht insbesondere das Zusammenspiel zwischen den Querrudern, dem Aktuator und der Flatterunterdrückung im Fokus. Mit den daraus gewonnen Erkenntnissen soll aufgezeigt werden, wie zukünftige Verkehrsflugzeuge mit schlanken Flügeln sicher fliegen können. Die Flugsteuerungssysteme sowie die geometrisch dünnen Flügel stellen besondere Anforderungen an die Querruderstruktur, welche bisher noch an kein Querruder gestellt wurden. Um diese Anforderungen zu erfüllen, entwickelt das Institut für Systemleichtbau ein neues, integrales Strukturkonzept.
Integral gefertigte Querruder eignen sich für die Fertigungsverfahren von morgen
Durch die geringe Profilhöhe ergeben sich insbesondere an der Vorderkante des Querruders Herausforderungen. Hier werden lokal Kräfte eingeleitet, die sich aus der Verbindung von Querruder und Flügel ergeben. Aufgrund dessen wurde ein integrales Konzept verfolgt, welches einen geschlossenen Kastenholm als zentrales, lasttragendes Element beinhaltet. Dieser ist, genau wie die Häute, aus einem CFK-Prepreg gefertigt, einer weiteren Neuerung im Bezug auf Querruder. Die lokale Krafteinleitung im vorderen Bereich der Querruder erfolgt über Metallbauteile, welche die Belastung an den Holm weiterleiten.
Die deutlich verringerte Anzahl an Einzelbauteilen des Querruders beschleunigt die Fertigung und einzelne Fertigungsschritte können zusammengefasst werden. Der Einsatz von Prepreg ermöglicht es, einen in der Primärstruktur von Großflugzeugen bereits großflächig eingesetzten Werkstoff auch bei Rudern einzusetzen. Die beiden Häute sowie der Holm härten separat an einem offenen Werkzeug aus und werden anschließend verklebt. Das Strukturdesign ist jedoch auch ideal für andere Fertigungsmethoden wie Same-Qualified-RTM (SQRTM)-Verfahren geeignet. Dieses Verfahren kombiniert den Fertigungsprozess von Prepreg-Materalien mit dem RTM-Prozess trockener Fasermaterialien. Dadurch wird die benötigte Zeit im Autoklav weiter reduziert und Fertigungsschritte werden weiter zusammengefasst.
Integral gefertigte Querruder eignen sich für die Fertigungsverfahren von morgen
Durch die geringe Profilhöhe ergeben sich insbesondere an der Vorderkante des Querruders Herausforderungen. Hier werden lokal Kräfte eingeleitet, die sich aus der Verbindung von Querruder und Flügel ergeben. Aufgrund dessen wurde ein integrales Konzept verfolgt, welches einen geschlossenen Kastenholm als zentrales, lasttragendes Element beinhaltet. Dieser ist, genau wie die Häute, aus einem CFK-Prepreg gefertigt, einer weiteren Neuerung im Bezug auf Querruder. Die lokale Krafteinleitung im vorderen Bereich der Querruder erfolgt über Metallbauteile, welche die Belastung an den Holm weiterleiten.
Die deutlich verringerte Anzahl an Einzelbauteilen des Querruders beschleunigt die Fertigung und einzelne Fertigungsschritte können zusammengefasst werden. Der Einsatz von Prepreg ermöglicht es, einen in der Primärstruktur von Großflugzeugen bereits großflächig eingesetzten Werkstoff auch bei Rudern einzusetzen. Die beiden Häute sowie der Holm härten separat an einem offenen Werkzeug aus und werden anschließend verklebt. Das Strukturdesign ist jedoch auch ideal für andere Fertigungsmethoden wie Same-Qualified-RTM (SQRTM)-Verfahren geeignet. Dieses Verfahren kombiniert den Fertigungsprozess von Prepreg-Materalien mit dem RTM-Prozess trockener Fasermaterialien. Dadurch wird die benötigte Zeit im Autoklav weiter reduziert und Fertigungsschritte werden weiter zusammengefasst.
Autor: Dominic Sahyoun