(Dieser Text wurde von der TU München verfasst und für die Website des Projektträgers Luftfahrtforschung und -technologie zur Verfügung gestellt. Alle Urheber- und Bildrechte liegen bei der TU München.)
Mit formvariablen Flügelstrukturen kann ein bedeutendes Potential zur Leistungs- und Effizienzsteigerung moderner Flugzeuge erschlossen werden. Im Vorhaben MILAN wird die Umsetzbarkeit eines formvariablen Flügelvorderkantenkonzepts in zukünftigen Segelflugzeugen untersucht.
Durch eine formvariable Flügelvorderkante über die ganze Spannweite von 18 m kann der Auftrieb bei gleichzeitig geringem Luftwiderstand um ca. 25% im Vergleich zu einem konventionellen Wölbklappenflugzeug gesteigert werden. Das ermöglicht eine Verringerung der Flügelfläche und Erhöhung der Flächenbelastung um 25%, wodurch sich der Profilwiderstand verringert und die Gesamtflugzeugleistung im Schnellflug um ca. 8% gesteigert werden kann, wie in der Polare in Abbildung 1 dargestellt.
Präzise verformbare Rippen, sogenannte Compliant Mechanisms werden am Flügel in regelmäßigen spannweitigen Abständen angeordnet und verformen eine in Flugrichtung weiche und in Spannweitenrichtung steife formvariable Flügelschale (Abbildung 2). Die Geometrie der Mechanismen wird mit einem an der TUM entwickelten nichtlinearen Topologieoptimierungsalgorithmus errechnet. Eine Pfadfolgungs-Zielfunktion in der Optimierung sorgt für eine präzise Verformung an den Ausgangspunkten. Durch die Implementierung von Spannungsrestriktionen wird für eine ausreichende Festigkeit der Mechanismen gesorgt. Die Fertigung erfolgt mittels additiven Verfahren von SKZ Würzburg. Präzise abgestimmte Prozessparameter und ein umfangreiches Material- und Subkomponentenqualifikationsprogramm sorgen für endproduktnahe Bauteile (Abbildung 3).
Die formvariable Flügelschale wird an der TUM optimiert und die Fertigungstechnologie von MP2 Carbon entwickelt. Derzeit werden zwei Konzepte untersucht. Das innovative CellSkin-Konzept ist eine CFK-Sandwichstruktur, die durch hochgradig transversale Schubanisotropie eine sehr leichtgängige Verformbarkeit bei gleichzeitig hoher Steifigkeit in Spannweitenrichtung ermöglicht. Alternativ wird ein hochgradig anisotroper Faserverbund-Laminataufbau, der sich durch einfache Fertigbarkeit auszeichnet, untersucht. Dabei kommen neue, im Leichtflugzeugbau bisher noch nicht eingesetzte Faserwerkstoffe zum Einsatz.
Die Primärstruktur eines solchen neuartigen Flügels stellt durch die hohe Streckung und dem damit verbundenen geringen Bauraum eine besondere Herausforderung für die lasttragende Struktur und die Integration der Steuersysteme dar. Der vordere Profilteil fällt wegen der formvariablen Flügelvorderkante als Torsionszelle weg. Hochmodul-Kohlenstofffasern und Aeroelastic Tailoring tragen dazu bei, dass der Flügel im Fluge nur geringfügig tordiert und die aerodynamische Leistungsfähigkeit somit erhalten bleibt. Die Herausforderungen hinsichtlich Steuerung und Primärstruktur werden mit einem full-scale Demonstratorflügelsegment mit ca. 2 m Halbspannweite adressiert. Mittels Belastungsversuchen und photogrammetrischen Deformationsmessungen werden Festigkeit und Verformungspräzision und damit die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Konzepts validiert.
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